[논문 리뷰] Implications of WMAP Three Year Data for Reionization

Marcelo A. Alvarez, Paul R. Shapiro외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 04. 20.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

논문은 WMAP 3년치 CMB 데이터를 재분석하여 감소된 전자 산란 광학적 깊이(τ_es = 0.09 ± 0.03)가 이전 추정치(지수 z_r ≈ 17)에 비해 후행적인 재결합 적외색(redshift) z_r ≈ 11을 암시한다는 것을 보여준다. 이로 인해 재결합 시점이 늦어졌음에도 불구하고, 낮아진 초기 밀도 분포 스펙트럼의 진폭(σ₈)과 스펙트럼 기울기의 보완 효과로 인해 붕괴된 은하간 물질당 필요한 이온화 효율은 그대로 유지되며, 이는 초기 천체가 여전히 높은 효율이 필요하다는 것을 의미한다. 특히, 제3형 항성(Pop III stars)과 같은 고효율 이온화 원천이 필요하다는 점을 시사한다.

ABSTRACT

New results on the anisotropy of the cosmic microwave background (CMB) and its polarization based upon the first three years of data from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) have revised the electron scattering optical depth downward from tau_es= 0.17+/-0.07 to tau_es=0.09+/-0.03. This implies a shift of the effective reionization redshift from z_r~17 to z_r~11. Previous attempts to explain the high redshift of reionization inferred from the WMAP 1-year data have led to widespread speculation that the sources of reionization must have been much more efficient than those associated with the star formation observed at low redshift. This is consistent, for example, with the suggestion that early star formation involved massive, Pop III stars which early-on produced most of the ionizing radiation escaping from halos. It is, therefore, tempting to interpret the new WMAP results as implying that we can now relax those previous high demands on the efficiency of the sources of reionization and perhaps even turn the argument around as evidence against such high efficiency. We show that this is not the case, however. The new WMAP results also find that the primordial density fluctuation power spectrum has a lower amplitude, sigma_8, and departs substantially from the scale-invariant spectrum. We show that these effects combine to cancel the impact of the later reionization implied by the new value of tau_es on the required ionizing efficiency per collapsed baryon. The delay of reionization is surprisingly well-matched by a comparable delay (by a factor of ~1.4 in scale factor) in the formation of the halos responsible for reionization.

연구 동기 및 목표

• WMAP 3년치 CMB 데이터의 의미를 재조명하여 우주의 재결합 시기와 효율성에 영향을 미치는 바를 분석한다.
• 후행적인 재결합 적외색과 여전히 고효율 이온화 원천이 필요하다는 갈등을 해결한다.
• σ₈와 초기 스펙트럼의 형태 변화가 붕괴된 은하간 물질당 필요한 이온화 효율에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• 감소된 광학적 깊이(τ_es)가 초기 천체의 효율에 대한 제약을 완화시키는지, 특히 제3형 항성의 경우를 테스트한다.
• 관측 제약 조건과 이론 모델 간의 일치를 이루기 위해 재결합 지연와 은하간 구조 형성 지연의 균형을 정량화한다.

제안 방법

• CMB 이방성과 편광 측정치를 분석하여 τ_es와 σ₈에 대한 업데이트된 제약 조건을 유도한다.
• 광학적 깊이 τ_es를 이온화 역사에 대한 프록시로 사용하며, 이를 효과적인 재결합 적외색 z_r과 τ_es ≈ ∫₀^{z_r} n_e σ_T c dt 관계로 연결한다.
• 이전 1년치 결과(τ_es = 0.17 ± 0.07)와 비교하여 재결합 시기 변화를 평가한다.
• 낮아진 σ₈(밀도 불안정성의 진폭 감소)와 스펙트럼 기울기가 이온화를 일으키는 은하간 덩어리의 형성 적외색에 미치는 영향을 평가한다.
• 스케일링 추론을 적용하여 재결합 지연(스케일 인자 약 1.4배)이 재결합을 담당하는 은하간 덩어리의 형성 지연과 균형을 이루며, 필요한 이온화 효율을 유지함을 보여준다.
• CMB 스펙트럼과 광학적 깊이의 제약 조건을 통합하여 초기 항성 형성 모델과 제3형 항성 효율에 대한 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재조정된 WMAP 3년치 광학적 깊이(τ_es = 0.09 ± 0.03)는 유추된 효과적인 재결합 적외색에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 새로운 τ_es가 암시하는 후행적인 재결합은 붕괴된 은하간 물질당 필요한 이온화 효율을 감소시키는가?
• RQ3 σ₈와 초기 스펙트럼 형태의 변화가 지연된 재결합에 따른 효율 요구 조건을 얼마나 보완하는가?
• RQ4 지연된 재결합은 제3형 항성과 같은 고효율 원천을 도입하지 않고도 필요한 이온화 출력과 일치시킬 수 있는가?
• RQ5 이온화 효율 제약 조건을 유지하는 데 있어 재결합 적외색과 은하간 덩어리 형성 적외색 간의 스케일링 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 전자 산란 광학적 깊이는 τ_es = 0.09 ± 0.03으로 재조정되어, 이는 이전 1년치 WMAP 데이터의 z_r ≈ 17에 비해 후행적인 효과적인 재결합 적외색 z_r ≈ 11을 암시한다.
• 후행적인 재결합에도 불구하고, 낮아진 σ₈와 비스케일 불변이 아닌 초기 스펙트럼의 형태로 인해 붕괴된 은하간 물질당 필요한 이온화 효율은 그대로 유지된다.
• 재결합의 지연는 재결합을 담당하는 은하간 덩어리 형성의 스케일 인자 약 1.4배의 지연와 잘 맞아떨어진다.
• σ₈ 감소와 스펙트럼 기울기의 변화는 낮아진 τ_es의 영향을 상쇄하여, 고효율 이온화 원천(예: 대량의 제3형 항성)이 여전히 필요하다는 점을 유지한다.
• 새로운 WMAP 결과는 원천 효율에 대한 제약 조건을 완화하지 않으며, 오히려 고효율 초기 천체의 필요성을 유지함으로써 후행적인 재결합이 요구 수준을 낮춘다는 생각을 도전한다.
• 지연된 재결합과 지연된 은하간 덩어리 형성 간의 일관성은 구조 형성과 이온화 시점이 초기 스펙트럼에 의해 내재적으로 연결되어 있다는 자기 일관성 있는 그림을 제시한다.