[논문 리뷰] Finding the Missing Baryons Using CMB as a Backlight

Shirley Ho, Simon DeDeo외 1명|ArXiv.org|2009. 03. 16.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 2인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 대규모 구조 조사에서 유도된 은하 운동량 템플릿과 우주 마이크파온복사(CMB) 지도를 교차상관시켜 간성간 매질에 있는 부족한 바리온을 탐지하기 위한 새로운 방법을 제안한다. 운동학적 수야에프-젤도비치(kSZ) 효과를 활용함으로써, 플랑크와 애크티브 천문계측망(Act)을 사용할 경우 각각 11–32, 4–12의 신호 대 잡음비를 달성하여 온도나 금속 농도에 대한 가정 없이 이온화 기체의 직접 탐지를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present a new method for detecting the missing baryons by generating a template for the kinematic Sunyaev-Zel'dovich effect. The template is computed from the product of a reconstructed velocity field with a galaxy field; we find that the combination of a galaxy redshift survey such as SDSS and a CMB survey such as ACT and PLANCK can detect the kSZ, and thus the ionized gas, at significant signal-to-noise. Unlike other techniques that look for hot gas or metals, this approach directly detects the electrons in the IGM through their signature on the CMB. The estimated signal-to-noise for detecting the galaxy-momentum kSZ cross-correlation is 4, 9, and 12 for ACT (with survey area of 2000 $\mathrm{deg}^2$) with SDSS-DR4, SDSS3 and ADEPT respectively. The estimated signal-to-noise for PLANCK with SDSS-DR4, SDSS3 and ADEPT is 11, 23, and 32. Our method provides a new mean for determining properties of the ionized gas in the Universe. We provide galaxy momentum templates constructed from Sloan Digital Sky Survey online at our website at http://www.astro.princeton.edu/~shirley/SZ/SZ.html. The predicted correlation coefficients are provided along with the momentum maps. One can download the momentum templates and cross-correlate directly with CMB maps from ACT and PLANCK to detect the missing baryons.

연구 동기 및 목표

• 지역 우주 관측에서 설명되지 않은 부족한 바리온 문제를 해결한다.
• X선 및 라이만-알파 조사와 같은 전통적 방법들이 은하계의 우주망에서 낮은 밀도의 냉각 이온화 기체를 탐지하지 못하는 한계를 극복한다.
• 전자 운동량과 산란에만 의존하는 모델에 종속되지 않는 강력한 기법을 개발하여 이온화 기체를 운동학적 수야에프-젤도비치(kSZ) 효과를 통해 탐지한다.
• 열적 신호가 X선이나 tSZ 탐지에 너무 약한 곳인 필라멘트와 공허지역에서 바리온 탐지를 가능하게 한다.
• ACT, SPT, 플랑크의 CMB 데이터와 직접 교차상관할 수 있도록 공개된 운동량 템플릿을 제공한다.

제안 방법

• 재구성된 대규모 구조 속도장에서 유도된 선형 방향 운동량장 $\mathbf{p} = (1 + \delta_b) \mathbf{v}_b $ 을 투영하여 kSZ 템플릿을 구성한다.
• 선형 이론과 은하 적색편이 조사(예: SDSS-DR4, SDSS3, ADEPT)를 사용해 속도장을 재구성하며, 속도장이 암흑물질과 바리온 유동을 따라간다고 가정한다.
• kSZ 전달 함수를 통해 CMB 온도 비균일도를 계산한다: $ \Theta(\hat{n}) = -\int d\eta \, g(\eta) \, \mathbf{n} \cdot \mathbf{p}(\hat{n}\eta, \eta) $, 여기서 $g(\eta)$ 는 가시도 함수이다.
• kSZ 템플릿을 ACT와 플랑크의 CMB 지도와 교차상관시켜 신호를 추출하며, 교차상관 계수를 최대화한다.
• 재구성된 이온화 역사와 광학적 두께를 반영하기 위해 가시도 함수 $g(\eta)$ 를 복소거리에 대한 적분에 가중치로 적용한다.
• 이 방법을 사용해 은하계의 우주망, 특히 다른 방법으로는 실패하는 낮은 밀도 지역에서 이온화 기체를 탐지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X선 및 라이만-알파 조사가 민감하지 않은 낮은 밀도 간성간 매질에서 운동학적 수야에프-젤도비치 효과를 사용해 이온화 바리온을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 현재 및 향후 조사에서 사용 가능한 은하 운동량 템플릿과의 교차상관을 통해 kSZ 효과를 탐지할 때 기대되는 신호 대 잡음비는 얼마인가?
• RQ3 kSZ 교차상관 방법은 tSZ 및 기타 바리온 탐지 기법과 비교할 때 감도와 체계적 오차 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 은하 조사의 빈도에 따라 빈도별로 나누어진 은하 조사 데이터를 사용해 바리온 함량과 기체 프로파일의 진화를 추적할 수 있는가?
• RQ5 이 템플릿 기반 접근법을 사용할 때 조사의 깊이, 해상도, 영역이 kSZ 신호 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 방법은 ACT(2000 deg²)와 ADEPT를 사용할 경우 12.2의 신호 대 잡음비를, 플랑크와 ADEPT를 사용할 경우 32.2의 높은 탐지 가능성으로 달성한다.
• SDSS-DR4와 플랑크를 사용할 경우 기대되는 신호 대 잡음비는 11.2로, 기존 및 향후 CMB 조사에서의 탐지 가능성을 잘 보여준다.
• kSZ 신호는 주로 필라멘트와 대규모 구조에서의 이온화 기체의 대체 운동에서 기인하며, 열 압력이 아니라, 따라서 낮은 밀도의 냉각 기체에 민감하다.
• 금속 농도나 이온화 상태에 대한 가정을 피하며, 전자 밀도와 속도에만 의존하므로 선형 이론으로 잘 모델링된 상태이다.
• SDSS에서 유도된 운동량 템플릿은 http://www.astro.princeton.edu/~shirley/SZ/SZ.html 에 공개되어 있으며, CMB 데이터와 직접 사용할 수 있다.
• 이 방법은 공허지역과 은하 주변의 바리온 탐지를 가능하게 하여, 우주의 시간에 따라 기체 분포와 진화를 탐색하는 새로운 수단을 제공한다.