[論文レビュー] The extended ROSAT-ESO Flux-Limited X-ray Galaxy Cluster Survey (REFLEX II) VI. Effect of massive neutrinos on the cosmological constraints from clusters

H. Boehringer, Gayoung Chon|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、REFLEX II X線銀河クラスターデータベースからの宇宙論的制約に及ぼす巨大ニュートリノの影響を調査する。X線発光度関数解析にニュートリノ質量を組み込むことで、プランクCMBデータとクラスタ観測の間にある矛盾を解消するための総ニュートリノ質量 $ M_{\nu} = 0.45 \pm 0.28 $ eV が得られ、スケーリング関係の系貫的要因にもかかわらず、銀河クラスタがニュートリノ質量制約の強力なプローブであることが示された。

ABSTRACT

Clusters of galaxies are important probes for the large-scale structure that allow us to test cosmological models. With the REFLEX II galaxy cluster survey we previously derived tight constraints on the cosmological parameters for the matter density, Omega_m, and the amplitude parameter of the matter density fluctuations, sigma_8. Whereas in these previous studies no effect of massive neutrinos was taken into account, we explore these effects in the present publication. We derive cosmological constraints for the sum of the neutrino masses of the conventional three neutrino families in the range 0 to 0.6 eV. The influence on the constraints of Omega_m and sigma_8 for the expected mass range is weak. Interesting constraints on the neutrino properties can be derived by comparing the cluster data with those from the Planck cosmic microwave background observations. The current tension between the Planck results and clusters can formally be resolved with neutrino masses of about M_nu = 0.45 (+- 0.28, 1-sigma) eV. While we caution not to consider this a firm measurement because it might also be the result of unresolved systematics, it is interesting that other measurements of the local large-scale structure fluctuation amplitude, like that of cosmic lensing shear, yield similar results and additionally confirm the effect of massive neutrinos. Among the indicators for massive neutrinos, galaxy clusters and in particular our large and well-controlled cluster survey currently provide the best potential for constraints of the total neutrino mass.

研究の動機と目的

• REFLEX II X線銀河クラスターデータベースから導かれる宇宙論的パラメータ制約に、巨大ニュートリノがどのように影響を与えるかを評価すること。
• ニュートリノ質量の効果を組み込むことで、プランクCMB観測とクラスタベースの宇宙論的制約の間にある矛盾を解消すること。
• 他の大規模構造プローブと比較して、銀河クラスタが総ニュートリノ質量をどれほど競争力を持って制約できるかを評価すること。
• ニュートリノ質量が $ \Omega_m $ および $ \sigma_8 $ に与える影響を、$ M_\nu = 0.06 $ から $ 0.6 $ eV の予想される範囲で定量すること。
• 宇宙線シアリングやCMBデータを含む複数のプローブにおけるニュートリノ質量制約の整合性を検討すること。

提案手法

• 本研究は、統計的に完全なREFLEX IIクラスターデータベースのX線発光度関数を用い、ニュートリノ質量効果を組み込んだ上で、$ \Omega_m $ および $ \sigma_8 $ に対する宇宙論的制約を導出する。
• 巨大ニュートリノによる小スケールフラクチュエーションの減衰を反映した修正された物質パワースペクトルを用い、総ニュートリノ質量 $ M_\nu = \sum m_{\nu i} $ を自由パラメータとして扱う。
• クラスタ由来の制約とプランクCMBデータを比較し、整合性を評価するために連合尤度アプローチを適用する。
• スケーリング関係補正として $ \sigma_8^{\text{eff}} = \sigma_8^{\text{true}} \times \frac{\sigma_8^{\text{ref}}}{\sigma_8^{\text{mod}}} $ を用い、ニュートリノ質量が物質フラクチュエーションの振幅に与える影響を補正する。
• X線スケーリング関係における系貫的不確実性を慎重に取り入れ、クラスタ質量校正の現状の限界を反映する。
• ニュートリノが臨界密度に寄与する割合を $ \Omega_\nu = \frac{\sum m_{\nu i}}{93.14 \, \text{eV}} h^2 $ としてモデルに組み込み、ニュートリノ質量と宇宙論的パラメータを結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨大ニュートリノは、REFLEX IIクラスターデータベースから得られる $ \Omega_m $ および $ \sigma_8 $ の宇宙論的制約にどのように影響を与えるか？
• RQ2 巨大ニュートリノを組み込むことで、プランクCMB結果とクラスタベースの宇宙論的制約の間に観測された矛盾を解消できるか？
• RQ3 クラスタデータとプランクCMB観測を一致させるために必要な総ニュートリノ質量 $ M_\nu $ はどの程度か？
• RQ4 宇宙線シアリングやLy$\alpha$フォレストなどの他の大規模構造プローブと比較して、銀河クラスタからの制約はどの程度の精度か？
• RQ5 現在のクラスタスケーリング関係の系貫的要因は、ニュートリノ質量制約の精度をどの程度制限しているか？

主な発見

• ニュートリノ質量の範囲 $ M_\nu = 0.06 $ から $ 0.6 $ eV の予想される範囲内では、巨大ニュートリノの導入による $ \Omega_m $ および $ \sigma_8 $ の制約への影響は弱い。
• 総ニュートリノ質量 $ M_\nu = 0.45 \pm 0.28 $ eV（1σ）が、プランクCMBデータとクラスタベースの宇宙論的制約の乖離を形式的に解消する。
• この結果は、CFHTLenS調査から得られた宇宙線シアリング測定による独立した制約（$ M_\nu = 0.320 \pm 0.081 $ eV）とも整合する。
• 統計的完全性が高く、系貫的要因が低いことから、REFLEX IIクラスターデータベースは、大規模構造プローブの中で最もきついニュートリノ質量制約を与える。
• 本研究は、CMBデータと組み合わせた場合、銀河クラスタがニュートリノ質量を調査する上で最も強力なプローブの一つであることを確認した。
• スケーリング関係の不確実性を慎重に取り入れたにもかかわらず、今後のクラスタ質量校正の向上やCMBの系貫的要因の改善により、ニュートリノ質量制約が著しく厳しくなる可能性がある。