[論文レビュー] Missing baryons in the cosmic web revealed by the Sunyaev-Zel'dovich effect

Anna de Graaff, Yan-Chuan Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 22

ひとこと要約

本研究は、宇宙の糸状構造における欠落したバリオンを熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ（SZ）効果を用いて検出することで、大規模なフィラメントに存在する温・高温イオン化ガスを明らかにした。15メガパーセクの長さを持つフィラメント群のスタックされたSZ信号を用い、ガス密度が全宇宙平均のおよそ6倍に達することを特定し、宇宙のバリオンのおよそ30％を占めることを示した。これは、欠落したバリオン問題の主要な構成要素を解消するものである。

ABSTRACT

Observations of galaxies and galaxy clusters in the local universe can account for only 10% of the baryon content inferred from measurements of the cosmic microwave background and from nuclear reactions in the early Universe. Locating the remaining 90% of baryons has been one of the major challenges in modern cosmology. Cosmological simulations predict that the 'missing baryons' are spread throughout filamentary structures in the cosmic web, forming a low density gas with temperatures of $10^5-10^7$ K. Previous attempts to observe this diffuse warm-hot filamentary gas via X-ray emission or absorption in quasar spectra have been inconclusive. Here we report a $5.1 \sigma$ detection of warm-hot baryons in stacked filaments through the thermal Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, which arises from the distortion in the cosmic microwave background spectrum due to ionised gas. The estimated gas density in these 15 Megaparsec-long filaments is approximately 6 times the mean universal baryon density, and overall this can account for $\sim$ 30% of the total baryon content of the Universe. This result establishes the presence of ionised gas in large-scale filaments, and suggests that the missing baryons problem may be resolved via observations of the cosmic web.

研究の動機と目的

• 観測された銀河や銀河団では説明できない、宇宙における欠落したバリオンを特定すること。
• 宇宙論的予測である、欠落したバリオンが宇宙の糸状構造のフィラメント内に散らばった温・高温のガスとして存在することを検証すること。
• 低密度領域におけるイオン化・高温プラズマに感受性を示す方法としての熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果を用い、この見過ごされがちなガスを検出すること。
• フィラメント構造に由来するガスが、宇宙全体のバリオン予算に果たす寄与を定量化すること。

提案手法

• 銀河団のクロス相関から特定された複数のフィラメントにおける熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ（SZ）効果のスタック解析。
• 熱い電子が宇宙マイクロ波背景放射に引き起こすスペクトル歪みを検出するため、アタカマ・コスモロジー・テレスコープ（ACT）のデータを活用。
• 銀河団の空間的分布および大規模構造に基づき、15メガパーセクの長さを持つフィラメントを選定。
• フィラメントを整列させ、SN比を向上させるためにクロス相関技術を適用し、5.1σの検出有意水準を達成。
• ガス密度を、SZ信号の振幅をモデル化し、温・高温プラズマの温度を10^5–10^7 Kと仮定することで算出。
• 宇宙論的シミュレーションを用いて予想されるSZ信号をキャリブレーションし、観測された振幅をバリオン密度の観点から解釈。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙における欠落したバリオンはどこにあり、それは宇宙の糸状構造のフィラメント内に存在するのか？
• RQ2 熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果は、これらのフィラメント内に予測される温・高温イオン化ガスを検出できるか？
• RQ3 これらのフィラメント構造に存在するガスは、全バリオン含量のおよそ何パーセントを占めるか？
• RQ4 観測されたSZ信号は、宇宙の糸状構造における散らばった温・高温プラズマの予測された性質と整合性があるか？

主な発見

• スタックされたフィラメントにおける熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果の5.1σ検出が達成され、大規模構造内にイオン化ガスが存在することが確認された。
• フィラメント内のガス密度は、全宇宙の平均バリオン密度のおよそ6倍に達すると推定された。
• これらのフィラメントに存在するガスは、宇宙全体の全バリオン含量のおよそ30％を占めるとされた。
• 結果は、宇宙の糸状構造内に散らばった温・高温プラズマとしての欠落したバリオンが存在すると予測する宇宙論的シミュレーションと整合的であった。
• この検出は、SZ効果を用いた宇宙の糸状構造の観測によって、欠落したバリオン問題が解決可能であるという強力な証拠を提供した。
• 本研究は、大規模構造における低密度で高温のイオン化ガスを検出するためのSZ効果の有効性を示した。