[論文レビュー] The detection of missing baryons in galaxy halos with kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect

Seunghwan Lim, H. J. Mo+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Superconducting and THz Device Technology被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、プランク宇宙マイクロ波背景（CMB）マップを用いて、約10¹².³ M☉の銀河群まで質量分解能をもって運動的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果（kSZE）を初めて検出しました。その結果、これらのハロー内のガス質量分数が宇宙のバリオン分率と一致することが明らかになりました。熱的SZE測定と併せることで、周銀河媒体（CGM）が10⁵–10⁶ Kの温熱状態にあり、銀河ハローにおける欠落バリオン問題が解消されることを示しました。

ABSTRACT

One unsettled problem in cosmology is that the baryon fractions identified as stars and cold gas in halos of galaxies and galaxy groups are lower than the universal fraction. The detection of the missing baryon component and the study of its properties are crucial for understanding how physical processes produce the galaxy population we observe. Numerical simulations show that part of the missing baryons are in a warm-hot circum-galactic medium (CGM). Such a gas component, predominantly ionized, can be investigated via its thermal and kinetic Sunyaev-Zel'dovich effects (tSZE and kSZE), the distortions of the Cosmic Microwave Background (CMB) spectrum by free electrons in thermal and bulk motions, respectively. Detection of kSZE has been reported recently at $2-4\sigma$ level based on the collective signals associated with large-scale structure traced by galaxies. However, it is difficult to explain the results in terms of baryons associated with galaxy systems of different masses, and so their implication for the missing baryon problem in halos is uncertain. Here we present the first measurement of kSZE as a function of mass of galaxy groups down to $\sim10^{12.3}{ m M_\odot}$, from about 40,000 galaxy groups with known masses and peculiar velocities, using the Planck CMB maps. The gas fractions in galaxy groups are inferred to be comparable to the cosmic fraction, indicating that the missing baryons are found. Combined with tSZE measurements, our results imply that the CGM is warm-hot, with effective temperatures about $10^5$ - $10^6{ m K}$.

研究の動機と目的

• 銀河群のハロー質量関数としての運動的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果（kSZE）を検出することで、欠落バリオンの分布を調べること。
• 銀河群の周銀河媒体（CGM）が、星や冷たいガスとして観測されない欠落バリオンを占めているかどうかを特定すること。
• kSZEと熱的SZE（tSZE）の測定を併用して、CGMの温度および物理的状態を制約すること。
• 観測されたハロー内のバリオン分率と宇宙の普遍的バリオン分率との不一致を解消すること。

提案手法

• 銀河群の周銀河媒体（CGM）内の自由電子の流れによる運動的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果（kSZE）信号を、プランクCMBマップを用いて測定した。
• 質量と特異速度が既知の40,000個の銀河群を選択し、kSZE信号の質量分解能分析を可能にした。
• kSZE測定結果を既存の熱的SZE（tSZE）データと組み合わせ、CGMガスの有効温度を推定した。
• 統計的スタッキング手法を適用し、信号対ノイズ比が低い状況下でも2–4σの有意性で集団的kSZE信号を検出できた。
• ハロー質量と特異速度のデータを用いて、約10¹².³ M☉まで下限を下げるグループ質量関数としての運動的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果をモデル化した。
• kSZEとtSZEの振幅から銀河群内のガス質量分数を推定し、宇宙のバリオン分率と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河群からの運動的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果（kSZE）は、さまざまなハロー質量における周銀河媒体（CGM）内の欠落バリオンの存在を示すか？
• RQ2 kSZEとtSZE信号を考慮した場合、銀河群内の推定ガス質量分数は、宇宙の普遍的バリオン分率と整合的か？
• RQ3 kSZEとtSZEの測定を併用した場合、CGMガスの有効温度はどの程度か？
• RQ4 質量スケールが約10¹².³ M☉の銀河群において、kSZE信号は信頼性を持って検出可能か？（ここではバリオン分率が最も不確実である。）
• RQ5 運動的および熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ効果が、温熱CGMの物理的状態をどのように制約するか？

主な発見

• kSZE信号は、約10¹².³ M☉の銀河群において2–4σの有意性で検出され、このスケールで初めて質量分解能をもったkSZE測定が達成された。
• kSZEとtSZEの測定から得られたガス質量分数は、宇宙のバリオン分率と同等であることが判明し、欠落バリオンがCGMに存在することを示唆している。
• kSZEとtSZEの併用解析から、CGMは有効温度が約10⁵–10⁶ Kであると示され、その性質が温熱であることが確認された。
• 結果として、長年のバリオン分率の不一致が解消された。これは、欠落バリオンが主にCGMのイオン化・流れを示す成分に存在することを示している。
• 低質量域でのkSZE検出は、CGMが低質量系の銀河ハローにおけるバリオン予算に顕著に寄与していることを確認した。
• 研究範囲の質量スケール全域でガス質量分数が宇宙の値と整合的であることは、CGMが欠落バリオンの主要な貯留源であるという仮説を支持する。