[論文レビュー] The Sunyaev-Zel'dovich effect in WMAP data

J. M. Diego, Bruce Partridge|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 78被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、300個のX線選別銀河団の周囲にWMAP 5年分のデータをスタッキングし、高信頼性で平均サニヤエフ＝ゼルドビッチ（SZE）効果を検出する。観測されたSZE信号は、X線データに基づく標準βモデルによる予測よりも弱く、これはガス密度プロファイルの急峻化と点源の混入（16–26 mJy）が必要であることを示唆している。これにより、X線とSZEの測定値を一致させることができる。

ABSTRACT

Using WMAP 5 year data, we look for the average Sunyaev-Zel'dovich effect (SZE) signal from clusters of galaxies by stacking the regions around hundreds of known X-ray clusters. We detect the average SZE at a very high significance level. The average cluster signal is spatially resolved in the W band. This mean signal is compared with the expected signal from the same clusters calculated on the basis of archival ROSAT data. From the comparison we conclude that the observed SZE seems to be less than the expected signal derived from X-ray measurements when a standard beta-model is assumed for the gas distribution. This conclusion is model dependent. Our predictions depend mostly on the assumptions made about the core radius of clusters and the slope of the gas density profile. Models with steeper profiles are able to simultaneously fit both X-ray and WMAP data better than a beta-model. However, the agreement is not perfect and we find that it is still difficult to make the X-ray and SZE results agree. A model assuming point source contamination in SZE clusters renders a better fit to the one-dimensional SZE profiles thus suggesting that contamination from point sources could be contributing to a diminution of the SZE signal. Selecting a model that better fits both X-ray and WMAP data away from the very central region, we estimate the level of contamination and find that on average, the point source contamination is on the level of 16 mJy (at 41 GHz), 26 mJy (at 61 GHz) and 18 mJy (at 94 GHz). These estimated fluxes are marginally consistent with the estimated contamination derived from radio and infrared surveys thus suggesting that the combination of a steeper gas profile and the contribution from point sources allows us to consistently explain the X-ray emission and SZE in galaxy clusters as measured by ROSAT and WMAP.

研究の動機と目的

• WMAP 5年分のデータを用いて、X線で選別された大規模な銀河団群における平均サニヤエフ＝ゼルドビッチ（SZE）信号を検出すること。
• X線データに基づく標準βモデルを仮定したガス分布に対して、観測されたSZE信号と予測値を比較すること。
• X線光度に基づく予想されるSZE信号と観測されたSZE信号との乖離を調査すること。
• 非熱的過程、ガスの塊状構造、点源の混入がX線とSZEの測定値を一致させる役割を評価すること。
• ガス密度プロファイルをより急峻にしたモデルか、解明不能な源の混入が観測データをよりよく説明するかを評価すること。

提案手法

• 300個の既知のX線銀河団を中心とする領域で、WMAP 5年分のマイクロ波データをスタッキングし、SZE信号対雑音比を向上させること。
• アーカイブ済みのROSAT全天サーベイ（RASS）データを用いて、標準βモデルによるガス密度プロファイルの期待されるSZE信号をモデル化すること。
• X線光度と宇宙論的距離関係から導かれる予測SZEフラックスと、スタックされたWMAPのSZE信号を比較すること。
• X線とSZEデータの整合性を高めるために、より急峻なガス密度プロファイル（例：NFW型）を仮定した代替モデルをテストすること。
• 観測されたSZEプロファイルへのモデルフィッティングにより点源混入を推定し、電波／赤外線サーベイと比較すること。
• 予測SZEフラックス（90 GHz）と観測X線フラックス（0.1–2.4 keVバンド）とのスケーリング関係を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なX線銀河団群の信号をスタッキングすることで、WMAP 5年分のデータにおいて平均サニヤエフ＝ゼルドビッチ効果が検出可能か？
• RQ2 X線データと標準βモデルによるガスプロファイルに基づく予測と比較して、観測されたSZE信号はどのように異なるか？
• RQ3 NFW型などより急峻なガス密度プロファイルを仮定することで、標準βモデルに比べてX線とSZEの測定値をよりよく一致させられるか？
• RQ4 点源の混入がSZE信号の欠落にどの程度寄与しているか？
• RQ5 大規模な団群サンプル全体で、X線フラックスとSZEフラックスの間に一貫したスケーリング関係が存在するか？

主な発見

• 銀河団の平均SZE信号は、WMAP 5年分のデータにおいて高い信頼性で検出され、特にWバンドで顕著である。
• X線データから導かれる標準βモデルによる予測と比較して、観測されたSZE信号は顕著に弱く、乖離が示唆される。
• より急峻なガス密度プロファイル（例：NFW型）を仮定したモデルは、標準βモデルよりもX線とSZEの両方のデータに適合する。
• 点源の混入は、41 GHzで約16 mJy、61 GHzで26 mJy、94 GHzで18 mJyに相当し、電波および赤外線サーベイと整合的である。
• 予測SZEフラックス（90 GHz）と観測X線フラックスとの間にきわめて緊密なスケーリング関係が見つかった：Flux = 45 × Sₓ⁰.⁹（単位はmJyおよび10⁻¹² erg/s/cm²）。
• より急峻なガスプロファイルと現実的な点源混入の組み合わせにより、X線とSZEの両方の観測結果を一貫して説明できるようになった。