[논문 리뷰] Comptonization of the Cosmic Microwave Background by Relativistic Plasma

T. A. Enßlin, Christian Kaiser|arXiv (Cornell University)|2000. 01. 25.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 7인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 플라즈마에 의한 CMB의 컴프턴화를 조사하며, 모든 상대론적 영역에서 거듭제곱 법칙에 따르는 전자 분포에 대해 정확한 해석적 광자 산산각 분포 함수를 유도한다. 연구는 상대론적 수냐예프-젤도비치 감소가 전자 수 밀도를 측정하는 반면, 고주파수에서의 상대론적 증가가 전자 스펙트럼 형상을 드러내어 향후 기기들을 위한 탐사 수단이 될 수 있음을 보여준다. 연구는 라디오 은하의 에너지 방출에 의한 컴프턴화를 추정하며, 오래된 라디오 플라즈마에서 열적 y 매개변수는 약 10⁻⁶, 상대론적 광학적 깊이는 약 10⁻⁷임을 발견했으며, 이는 Hubble 상수 측정에 편향을 줄 수 있다.

ABSTRACT

We investigate the spectral distortion of the cosmic microwave background (CMB) caused by relativistic plasma. Within the Thomson regime, an exact analytic expression for the photon scattering kernel of a momentum power-law elec- tron distribution is given, which is valid from the non- to the ultra-relativistic regime. The decrement in the photon spectrum saturates for electron momenta above 3 me c to that of an op- tically thick absorber with the optical depth of the relativistic electrons given by the Thomson limit. Thus, the ultra-relativistic Sunyaev-Zeldovich (SZ) decrement measures the electron num- ber and not the energy content. On the other hand, the relativis- tic SZ increment at higher frequencies depends strongly on the spectral shape of the electrons, allowing for investigation of relativistic electron populations with future instruments. We calculate the expected Comptonization due to the en- ergy release of radio galaxies, which we estimate to be 3 10 66 ergGpc 3 . We investigate Comptonization from (a) the part of the released energy which is thermalized and (b) the relativistic, remnant radio plasma, which may form a second, relativistic phase in the intergalactic medium, nearly unobserv- able for present day instruments (presence of so called 'radio ghosts'). We find a thermal Comptonization parameter due to (a) of y 10 6 and (b) an optical depth of relativistic electrons in old radio plasma of rel 10 7 . If a substantial fraction of the volume of clusters of galaxies is filled with such old ra- dio plasma the SZ effect based determination of the Hubble constant is biased to lower values, if this is not accounted for. Finally, it is shown that a supra-thermal population of electrons in the Coma cluster would produce a signature in the Wien-tail of the CMB, which is marginally detectable with a multifre- quency measurement by the Planck satellite. Such an electron population is expected to exist, since its bremsstrahlung would explain Coma's recently reported high energy X-ray excess.

연구 동기 및 목표

• 상대론적 영역에서 거듭제곱 법칙에 따르는 전자 분포에 대해 광자 산산각 분포 함수의 정확한 해석적 표현을 유도하는 것.
• 상대론적 전자에 의한 컴프턴화가 CMB 스펙트럼에 미치는 영향, 특히 상대론적 수냐예프-젤도비치 효과의 맥락에서 분석하는 것.
• 라디오 은하의 에너지 방출이 CMB에 미치는 영향을 분석하며, 열화된 에너지와 잔류하는 상대론적 플라즈마를 구분하는 것.
• 만일 클러스터 내 오래된 상대론적 라디오 플라즈마가 SZ 기반 분석에서 고려되지 않으면 Hubble 상수 측정에 어떤 편향이 발생할 수 있는지 평가하는 것.
• coma 은하단에서 초열 전자 집합의 탐지 가능성에 대해 고주파수 CMB 측정을 통해 연구하는 것.

제안 방법

• 비상대론적에서 초상대론적 전자 운동량에 이르기까지 정확한 해석적 광자 산산각 분포 함수를 유도하며, 거듭제곱 법칙에 따르는 운동량 분포를 가정한다.
• 유도된 함수를 적용하여 상대론적 전자 플라즈마에서의 컴프턴 산산각에 의한 CMB 스펙트럼 왜곡을 계산하며, 톰슨 영역을 기초로 한다.
• 라디오 은하의 에너지 방출에 기반하여 열적 컴프턴화 매개변수(y)를 계산하며, 에너지의 일부가 열화된 것으로 가정한다.
• 유도된 산산각 분포 함수를 사용하여 오래된 라디오 플라즈마 내 상대론적 전자의 광학적 깊이를 추정하며, 거듭제곱 법칙에 따르는 전자 에너지 분포를 가정한다.
• coma 은하단 내 초열 전자 집합의 서명을 CMB 스펙트럼의 윈 영역에서 모델링하여 그 탐지 가능성 평가.
• 예측된 신호를 Planck 위성의 감도와 비교하여 이러한 집합의 잠재적 탐지 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비상대론적에서 초상대론적 영역에 걸쳐 전자 분포의 스펙트럼 형상이 CMB의 컴프턴화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 상대론적 수냐예프-젤도비치 감소가 전자 수 밀도를 반영하는 정도는 어떠한가? 에너지 함량이 아니라 전자 수 밀도를 측정하는가?
• RQ3 라디오 은하의 에너지 방출에 의한 컴프턴화의 예상 크기는 열화된 상태와 상대론적 플라즈마 상태에서 각각 얼마인가?
• RQ4 만일 클러스터 내 오래된 상대론적 라디오 플라즈마가 SZ 기반 분석에서 고려되지 않으면 Hubble 상수 측정에 편향이 발생할 수 있는가?
• RQ5 coma 은하단 내 초열 전자 집합은 고주파수 CMB 측정을 통해 탐지 가능할 수 있으며, 윈 영역에서의 서명은 어떠한가?

주요 결과

• 전자 운동량이 3 me c를 초과하면 상대론적 수냐예프-젤도비치 감소가 포화되며, 이는 광학적 깊이의 톰슨 한계로 인해 전자 수 밀도를 측정하는 것이지 에너지 함량을 측정하지는 않는다.
• 고주파수에서의 상대론적 증가는 전자 분포의 스펙트럼 형상에 매우 강하게 의존하므로, 향후 기기들이 상대론적 전자 집합을 탐지하는 데 유용하다.
• 라디오 은하의 에너지 방출에 의한 열적 컴프턴화는 y 매개변수 약 10⁻⁶를 유도한다.
• 오래된 라디오 플라즈마 내 상대론적 전자의 광학적 깊이는 약 10⁻⁷로 추정되며, 이는 거의 탐지 불가능하지만 간성간 매질에서 잠재적으로 중요한 성분임을 시사한다.
• 만일 클러스터 부피의 상당 부분이 이러한 오래된 라디오 플라즈마로 채워져 있다면, SZ 효과 기반 Hubble 상수 측정치는 이를 고려하지 않을 경우 낮은 값으로 편향될 수 있다.
• coma 은하단 내 초열 전자 집합은 CMB의 윈 영역에서 약간의 신호를 유도할 수 있으며, 이는 Planck의 감도와 일치하며, X선 과잉 현상과도 일치한다.