[論文レビュー] The Kinetic Sunyaev-Zel'dovich Effect from Patchy Reionization: the View from the Simulations

Ilian T. Iliev, Ue‐Li Pen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、不均一な再電離のための最初の大規模放射移動シミュレーションを用いて、運動的サンヤエフ＝ツェルドビチ効果（kSZ）を計算した。その結果、kSZ非等方性はℓ = 2000–8000でピークを示し、最大パワーは約4–7 × 10⁻¹³に達し、これは一般的なイオン化バブルサイズが5–20 Mpcに対応する。この信号はℓ > 3000で一次CMB非等方性を上回り、源の効率および大規模な速度場に敏感である。

ABSTRACT

We present the first calculation of the kinetic Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) effect due to the inhomogeneus reionization of the universe based on detailed large-scale radiative transfer simulations of reionization. The resulting sky power spectra peak at l=2000-8000 with maximum values of l(l+1)C_l/(2pi)_{max}~4-7x10^{-13}. The scale roughly corresponds to the typical ionized bubble sizes observed in our simulations, of ~5-20 Mpc. The kSZ anisotropy signal from reionization dominates the primary CMB signal above l=3000. At large scales the patchy kSZ signal depends only on the source efficiencies. It is higher when sources are more efficient at producing ionizing photons, since such sources produce larger ionized regions, on average, than less efficient sources. The introduction of sub-grid gas clumping in the radiative transfer simulations produce significantly more power at small scales, but has little effect at large scales. The patchy reionization kSZ signal is dominated by the post-reionization signal from fully-ionized gas, but the two contributions are of similar order at scales l~3000-10^4, indicating that the kSZ anisotropies from reionization are an important component of the total kSZ signal at these scales.

研究の動機と目的

• 詳細な大規模放射移動シミュレーションを用いて、不均一な再電離からの運動的サンヤエフ＝ツェルドビチ（kSZ）効果を計算すること。
• 不均一再電離に起因するkSZ非等方性の角度スペクトルを特定し、解析的モデルと比較すること。
• 再電離期のkSZフラクチュエーションと、再電離後完全にイオン化されたガスに起因するkSZの相対的寄与を評価すること。
• 小スケールkSZスペクトルに及ぼす小スケールガスのクラスタリングおよびシミュレーションの動的レンジの影響を評価すること。

提案手法

• 再電離の空間的・時間的進化をモデル化するため、大規模な放射移動シミュレーションを用いてイオン化バブルおよびその速度場を再現した。
• kSZスペクトルは、イオン化銀河間媒体内の電子密度と流れのフラクチュエーションの相関から計算された。
• 100 h⁻¹ Mpcのボックスサイズを用いて、5–20 Mpcのイオン化バブルサイズを適切にサンプリングし、大規模な速度モードを含めた。
• 小スケールガスクラスタリングの影響を評価するために、小スケールkSZパワーへの影響を含めた。
• 動的レンジおよび正確性を検証するため、半解析的モデルおよび以前の小ボックスシミュレーションと結果を比較した。
• kSZ信号を不均一再電離と再電離後完全にイオン化されたガスからの寄与に分解した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模シミュレーションによる予測に基づき、不均一再電離に起因する運動的サンヤエフ＝ツェルドビチ効果の角度スペクトルはどのようなものか？
• RQ2 再電離に起因するkSZ信号は、一次CMB非等方性と比べて振幅およびスケールでどのように異なるか？
• RQ3 再電離期のkSZ効果と再電離後完全にイオン化されたガスに起因するkSZの相対的寄与は何か？
• RQ4 小スケールガスクラスタリングおよびシミュレーションボリュームは、小スケールkSZスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ5 固定または時間変化するイオン化バブルサイズを仮定した半解析的モデルと比較して、結果はどのように異なるか？

主な発見

• kSZスペクトルはℓ = 2000–8000でピークを示し、最大値は[ℓ(ℓ+1)Cℓ/(2π)]_max ≈ 4–7 × 10⁻¹³に達する。
• kSZピークの特徴的なスケールは、シミュレーションで観測された一般的なイオン化バブルサイズ5–20 Mpcに対応する。
• 再電離に起因するkSZ非等方性信号は、ℓ > 3000で一次CMB非等方性を上回る。
• 大規模kSZ信号は主に源の効率に依存し、高い効率はより大きなイオン化領域と強いkSZパワーをもたらす。
• 小スケールガスクラスタリングは小スケールkSZパワーを顕著に増幅させるが、大スケールではほとんど影響しない。
• ℓ ≈ 3000–10⁴のスケールでは、再電離期のkSZ信号と再電離後完全にイオン化されたガスからのkSZ信号の振幅は同程度であり、これらの多重極において両者の寄与が重要であることが示された。