[論文レビュー] The Sunyaev-Zel'dovich Effect: Results and Future Prospects

J. E. Carlstrom, M. Joy+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 75被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、銀河団の深宇宙サーベイを可能にする赤方偏移に依存しない検出能力を特徴とする宇宙論的道具としてのシュニャエフ＝ツェルドビチック効果（SZE）をレビューする。SZE測定とX線および強弱レプスリングデータを組み合わせることで、ハッブル定数、物質密度、およびダークエネルギーの状態方程式といった宇宙論的パラメータが制約され、今後のサーベイではΩM、ΩΛ、およびダークエネルギーの進化に関するきめ細かい制約が得られると期待される。

ABSTRACT

The Sunyaev-Zel'dovich effect (SZE) provides a powerful tool for cosmological studies. Through recent advances in instrumentation and observational techniques it is now possible to obtain high quality measurements of the effect toward galaxy clusters. The analysis of the SZE toward a few tens of clusters has already led to interesting constraints on the Hubble constant and the mass density of the universe. In the near future, instruments exploiting the redshift independence of the SZE will be used to conduct deep surveys for galaxy clusters providing detailed information on the growth of large scale structure, tests of cosmological models and tight constraints on the cosmological parameters that describe our universe. In this review we provide an overview of the SZE and its use for cosmological studies. We summarize the current state of observations and the constraints on cosmological parameters already obtained and we discuss the power of using the SZE for future deep cluster surveys.

研究の動機と目的

• シュニャエフ＝ツェルドビチック効果（SZE）の理論的および観測的基盤を、宇宙論的プローブとしてレビューすること。
• 銀河団へのSZE測定から得られる現在の観測結果と、それらが宇宙論的パラメータに与える制約を要約すること。
• 今後の深さと広域性を兼ね備えたSZEサーベイが、構造形成を調べるのと宇宙論モデルを検証するのにおける可能性を概説すること。
• 他の手法とは独立して、SZEがハッブル定数、物質密度、およびダークエネルギーの状態方程式を決定する役割を評価すること。
• 大規模かつ高感度の銀河団サーベイを可能にする次世代SZE機器の開発を提唱すること。

提案手法

• 熱的SZEを用い、銀河団のクーパー内物質（ICM）中の高温電子によるCMB光子の逆コンプトン散乱によって生じるスペクトル歪みを扱う。
• 140–270 GHzなどの多周波数観測を用いてSZEを検出・画像化し、大気および前景の汚染を補正するためのゼロ周波数を用いる。
• SZEデータとX線観測、弱・強レプスリングを統合し、ガス質量分率、電子温度、全質量といった銀河団の性質を導出する。
• yパラメータおよび圧力積分（P ∝ y × Tₑ）を用いて、距離に依存しない線路上の全熱的圧力を定量化する。
• 干渉計およびボロメトリックアレイ機器（例：SZA、AMI、ACBAR、BOLOCAM）を用い、今後のサーベイのために高い空間分解能と広域カバーを実現する。
• X線データで校正されたβモデルを用いて電子密度プロファイルをモデル化し、運動的および熱的SZEパラメータを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SZEを用いてハッブル定数および宇宙の物質密度を独立して推定する方法は何か？
• RQ2 SZEとX線データの組み合わせから得られる現在の宇宙論的パラメータの観測的制約は何か？
• RQ3 SZEの赤方偏移に依存しない性質が、高赤方偏移銀河団の深宇宙サーベイをどのように可能にするか？
• RQ4 今後の広域SZEサーベイがΩM、ΩΛ、およびダークエネルギーの状態方程式に与える期待される宇宙論的制約は何か？
• RQ5 SZEサーベイは、X線サーベイで見逃された銀河団、特にz > 1.5の領域でどの程度検出可能か？

主な発見

• SZEは40個以上の銀河団で高品質な検出と画像化が可能となり、赤方偏移はz = 0.9まで達している。
• SZEとX線データの組み合わせにより、ハッブル定数H₀および物質密度ΩMの制約が得られ、他の宇宙論的プローブと整合的である。
• SZEの検出閾値は、銀河団の質量にのみ依存し、赤方偏移に依存しないため、高赤方偏移銀河団の検出に最適である。
• 深宇宙SZEサーベイでは、z > 1.5の領域で、深宇宙X線サーベイで見逃された場合でも、1平方度あたり約1つの銀河団が検出されると予想される。
• AMI、SZA、ACBAR、BOLOCAMなどの機器を用いた今後のSZEサーベイにより、ΩM、ΩΛ、およびダークエネルギーの状態方程式に対するきめ細かい制約が得られる。
• Abell 2163およびAbell 1689のSuZIEデータの再解析により、適切な観測戦略を用いることで、ほこりの影響が最小限に抑えられた運動的SZE結果（それぞれVₚ ≈ +490 km s⁻¹および+170 km s⁻¹）が得られた。