[論文レビュー] Planck intermediate results. XXXVII. Evidence of unbound gas from the kinetic Sunyaev-Zeldovich effect

Planck Collaboration, P. A. R. Ade+190 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 53被引用数 68

ひとこと要約

本論文は、プランク衛星の運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ（kSZ）効果からの証拠を提示し、非束縛状態のガスが銀河団のバリアル半径を越えて存在し、大規模構造の物質流れと共に運動していることを示している。再構築された特異速度とkSZ温度非均一性の相関を用いて、有効トムソン光学厚さ $\tau_{\rm T} = (1.39 \pm 0.46) \times 10^{-4}$ を得たが、これはバリアルガスのみを想定した場合に予想される値よりも顕著に高く、非バリアル状態の非束縛ガスが約1 Mpcスケールで顕著な信号を寄与していることを示している。

ABSTRACT

By looking at the kinetic Sunyaev-Zeldovich effect (kSZ) in Planck nominal mission data, we present a significant detection of baryons participating in large-scale bulk flows around central galaxies (CGs) at redshift $z\approx 0.1$. We estimate the pairwise momentum of the kSZ temperature fluctuations at the positions of the CGC (Central Galaxy Catalogue) samples extracted from Sloan Digital Sky Survey (DR7) data. For the foreground-cleaned maps, we find $1.8$-$2.5σ$ detections of the kSZ signal, which are consistent with the kSZ evidence found in individual Planck raw frequency maps, although lower than found in the WMAP-9yr W band ($3.3σ$). We further reconstruct the peculiar velocity field from the CG density field, and compute for the first time the cross-correlation function between kSZ temperature fluctuations and estimates of CG radial peculiar velocities. This correlation function yields a $3.0$-$3.7$$σ$ detection of the peculiar motion of extended gas on Mpc scales, in flows correlated up to distances of 80-100 $h^{-1}$ Mpc. Both the pairwise momentum estimates and kSZ temperature-velocity field correlation find evidence for kSZ signatures out to apertures of 8 arcmin and beyond, corresponding to a physical radius of $> 1$ Mpc, more than twice the mean virial radius of halos. This is consistent with the predictions from hydro simulations that most of the baryons are outside the virialized halos. We fit a simple model, in which the temperature-velocity cross-correlation is proportional to the signal seen in a semi-analytic model built upon N-body simulations, and interpret the proportionality constant as an "effective" optical depth to Thomson scattering. We find $τ_T=(1.4\pm0.5) imes 10^{-4}$; the simplest interpretation of this measurement is that much of the gas is in a diffuse phase, which contributes little signal to X-ray or thermal SZ observations.

研究の動機と目的

• 宇宙の網状構造における非束縛銀河間ガスからの運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ（kSZ）効果の検出と特徴付け。
• 観測されたkSZ信号が銀河団のバリアル領域内のガス由来であるのか、それともハロー外の拡張した非束縛ガス由来であるのかを特定すること。
• 大規模特異速度場との相関を測定することで、非バリアル状態のガスがkSZ信号に与える寄与を定量化すること。
• kSZ信号の有効トムソン光学厚さを評価し、バリアルガスのみを想定した場合の期待値と比較すること。

提案手法

• 銀河団カタログから得られた3次元特異速度場の再構築と、プランクのkSZ温度非均一性を相関させること。
• 固定された8弧分の半径（赤方偏移 z ≈ 0.12 で約1 Mpcに対応）を用いたアパーチャー光度測定により、スケールにわたるkSZ対向運動量を測定すること。
• kSZ温度とラインオブサイト特異速度の間の角度相関関数 $w^{\rm T,v_{\rm los}^{\rm rec}}(r)$ を計算し、一貫した運動を検出すること。
• 観測されたkSZ-速度相関をモデルに基づく速度-速度相関関数にスケーリングすることで、有効光学厚さ $\tau_{\rm T}$ を推定すること。
• 複数の前景除去済みプランクマップ（例：SEVEM）を分析し、異なるデータ処理パイプラインにわたる結果の頑健性を確認すること。
• 観測されたkSZ信号の挙動をシミュレーテッド銀河団モデルと比較することで、バリアル状態のガスと非バリアル状態のガスの寄与を区別すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたkSZ信号は、銀河団のバリアル領域内に存在するガス由来と整合的か？
• RQ2 バリアル半径を越えてアパーチャー半径を大きくした場合、kSZ信号は一定のままであるか、減少するか？
• RQ3 kSZ信号の有効トムソン光学厚さは何か？ また、バリアルガスのみを想定した場合の期待値と比べてどうか？
• RQ4 kSZ信号はどれほど非束縛状態の非バリアルガス、大規模物質流れと共に運動するガスに起因しているか？

主な発見

• kSZ対向運動量は12弧分のアパーチャーまでほぼ一定のままであるため、信号がバリアル領域に限定されていないことを示している。
• 測定されたkSZ-速度相関は8弧分アパーチャーで3.0σの検出を示し、データに一貫した速度信号が存在することを確認している。
• SEVEMマップでは有効トムソン光学厚さが $\tau_{\rm T} = (1.39 \pm 0.46) \times 10^{-4}$ と測定され、他の前景除去済みマップとも一貫している。
• この値はバリアルガスのみを想定した場合の期待値のおよそ3倍高く、非束縛で拡張したガスの寄与が支配的であることを示している。
• バリアルガスに支配されるモデルでは、アパーチャー半径が大きくなるに従いkSZ振幅が減少すると予測されるが、信号はその予測と整合しない。
• 結果は、kSZ信号が主にバリアル半径外のガス由来であり、大規模物質流れと共に運動していることを支持している。