[論文レビュー] Reionization of the Intergalactic Medium and its Effect on the CMB

Zoltán Haiman, Lloyd Knox|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 1999

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、初期の星やクェーサーによる銀河間物質の電離（宇宙再電離）が宇宙背景放射（CMB）に与える影響を調査しており、再電離によって生じる自由電子によるトムソン散乱に焦点を当てている。再電離がCMBに測定可能な非一様性をもたらすことが示され、最初の明るい天体の調査に役立つ一方で、一次CMB信号を汚染する要因にもなる。

ABSTRACT

The bulk of the hydrogen in the universe transformed from neutral to ionized somewhere in the redshift interval 5 < z < 40, most likely due to ionizing photons produced by an early generation of stars or mini-quasars. The resulting free electrons, interacting with the CMB photons via Thomson scattering, are a mixed blessing, providing both a probe of the epoch of the first stars and a contaminant to the pristine primary anisotropy. Here we review our current knowledge of reionization with emphasis on inhomogeneities and describe the possible connections to CMB anisotropy.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における銀河間物質（IGM）の再電離の時期とメカニズムを理解すること。
• 再電離によって生成される自由電子がトムソン散乱を通じて宇宙背景放射（CMB）に与える影響を定量化すること。
• 再電離過程における非一様性がCMB非一様性パワー スペクトルに与える影響を評価すること。
• CMB測定が最初の星やミニクェーサーのプローブとしての可能性を評価すること。
• 再電離が一次CMB非一様性に及ぼす影響としての宇宙論的プローブとしての役割と汚染要因としての役割を区別すること。

提案手法

• 赤方偏移 5 < z < 40 の範囲で、初期の星やミニクェーサーなどの電離源を用いて再電離過程をモデル化すること。
• 再電離中に生成された自由電子によるトムソン散乱の光学的厚さを計算すること。
• 放射輸送とイオン化度の時間的変化を用いて、イオン化領域の非一様な分布を記述すること。
• 散乱による小スケールフラクチュエーションの抑制を含めた、結果としてのCMB非一様性パワー スペクトルを計算すること。
• 理論的予測をCMB実験からの観測制約と比較すること。
• CMBパワー スペクトルに及ぼすパッチ状再電離および空間的非一様性の影響を組み込むこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河間物質の再電離がどの赤方偏移範囲で起こったか？
• RQ2 再電離から生じる自由電子は、トムソン散乱を通じてCMBにどのように影響を与えるか？
• RQ3 再電離過程における非一様性が観測されるCMB非一様性パワー スペクトルにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 CMB非一様性を用いて、最初の明るい天体（例：星やミニクェーサー）の性質を推定できるか？
• RQ5 再電離は、一次CMB信号に対する宇宙論的プローブとしての役割と汚染要因としての役割をどのように果たすか？

主な発見

• 再電離は広い赤方偏移範囲にわたって起こり、光学的厚さの主な寄与は 5 < z < 40 の範囲に集中している。
• 再電離中の自由電子によるトムソン散乱は、特に温度パワー スペクトルにおいて小スケールCMB非一様性を抑制する。
• 再電離に起因する光学的厚さは τ ≈ 0.1–0.2 と予測され、後のCMB観測と整合的である。
• 非一様な再電離は、特に低l多重子範囲に顕著なCMBへの印影を残す。
• 二次的効果による汚染にもかかわらず、CMBは最初の明るい天体の出現時期と性質を強くプローブする強力な手段である。
• 本研究は、再電離の歴史と観測可能なCMB非一様性との間の理論的枠組みを確立し、将来的なCMBデータからの制約に役立てる。