[논문 리뷰] Planck intermediate results. XXXVII. Evidence of unbound gas from the kinetic Sunyaev-Zeldovich effect

Planck Collaboration, P. A. R. Ade외 190명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 53인용 수 68

한 줄 요약

이 논문은 은하단의 비virial 반경을 초월하여 운동하는 비결속 상태의 가스가 대규모 물질 흐름과 함께 공동으로 운동함을 시사하는 플랑크 위성의 운동학적 수야에프-절도비치 효과(kSZ)에 기반한 증거를 제시한다. 재구성된 비특이 속도와 kSZ 온도 비균형 사이의 상관관계를 통해, 효과적 투과도 $ au_{ m T} = (1.39 \\- 0.46) \\times 10^{-4}$ 를 측정하였으며, 이는 비virial 상태의 가스만을 고려할 경우 예상되는 것보다 유의미하게 높은 값으로, 약 1 Mpc 척도에서 비virial 상태의 비결속 가스에 의해 기인하는 상당한 신호를 시사한다.

ABSTRACT

By looking at the kinetic Sunyaev-Zeldovich effect (kSZ) in Planck nominal mission data, we present a significant detection of baryons participating in large-scale bulk flows around central galaxies (CGs) at redshift $z\approx 0.1$. We estimate the pairwise momentum of the kSZ temperature fluctuations at the positions of the CGC (Central Galaxy Catalogue) samples extracted from Sloan Digital Sky Survey (DR7) data. For the foreground-cleaned maps, we find $1.8$-$2.5σ$ detections of the kSZ signal, which are consistent with the kSZ evidence found in individual Planck raw frequency maps, although lower than found in the WMAP-9yr W band ($3.3σ$). We further reconstruct the peculiar velocity field from the CG density field, and compute for the first time the cross-correlation function between kSZ temperature fluctuations and estimates of CG radial peculiar velocities. This correlation function yields a $3.0$-$3.7$$σ$ detection of the peculiar motion of extended gas on Mpc scales, in flows correlated up to distances of 80-100 $h^{-1}$ Mpc. Both the pairwise momentum estimates and kSZ temperature-velocity field correlation find evidence for kSZ signatures out to apertures of 8 arcmin and beyond, corresponding to a physical radius of $> 1$ Mpc, more than twice the mean virial radius of halos. This is consistent with the predictions from hydro simulations that most of the baryons are outside the virialized halos. We fit a simple model, in which the temperature-velocity cross-correlation is proportional to the signal seen in a semi-analytic model built upon N-body simulations, and interpret the proportionality constant as an "effective" optical depth to Thomson scattering. We find $τ_T=(1.4\pm0.5) imes 10^{-4}$; the simplest interpretation of this measurement is that much of the gas is in a diffuse phase, which contributes little signal to X-ray or thermal SZ observations.

연구 동기 및 목표

• 우주망의 비결속 상태의 간성간 가스에서 발생하는 운동학적 수야에프-절도비치(kSZ) 효과를 탐지하고 특성화하는 것.
• 관측된 kSZ 신호가 은하단의 비virial 영역 내 가스에서 기인하는지, 아니면 허브의 외부에 위치한 확장된 비결속 가스에서 기인하는지 판단하는 것.
• 대규모 비특이 속도장과의 상관관계를 측정하여 비virial 상태의 가스가 kSZ 신호에 기여하는 정도를 정량화하는 것.
• kSZ 신호의 효과적 투과도를 평가하고, 비virial 상태의 은하단 가스만을 고려할 경우의 기대치와 비교하는 것.

제안 방법

• 은하단 카탈로그에서 유도된 3차원 비특이 속도장 재구성과 플랑크 위성의 kSZ 온도 비균형 사이의 상관관계 분석.
• 고정된 8 arcmin 반경(약 z ≈ 0.12에서 ~1 Mpc에 해당)을 사용하여, 척도에 따라 kSZ 쌍체 운동량을 측정하는 약실 광도 측정법 적용.
• kSZ 온도와 선형 방향 비특이 속도 사이의 각도 상관함수 $w^{\rm T,v_{\rm los}^{\rm rec}}(r)$ 를 계산하여, 일관된 운동 신호 탐지.
• 모델 기반의 속도-속도 상관함수를 관측된 kSZ-속도 상관관계에 맞추기 위해 스케일링하여 효과적 투과도 $\tau_{\rm T}$ 추정.
• 다양한 데이터 처리 파이프라인에 대응하는 여러 전경 정제된 플랑크 지도(예: SEVEM)를 분석하여 결과의 강인성을 확보.
• 관측된 kSZ 신호의 거동을 시뮬레이션된 은하단 모델과 비교하여 비virial 상태와 비결속 상태의 가스 기여를 구분하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 kSZ 신호는 은하단의 비virial 영역 내 가스에서 기인하는가?
• RQ2 비virial 반경을 초월하여 약실 크기가 증가함에 따라 kSZ 신호는 일정하게 유지되거나 감소하는가?
• RQ3 kSZ 신호의 효과적 투과도는 얼마이며, 비virial 상태의 가스만을 고려할 경우의 기대치와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 kSZ 신호는 대규모 물질 흐름과 함께 운동하는 비결속 상태의 비virial 가스에 의해 얼마나 크게 영향을 받는가?

주요 결과

• kSZ 쌍체 운동량은 약 12 arcmin 약실까지 거의 일정하게 유지되며, 이는 신호가 비virial 영역에 국한되지 않았음을 시사한다.
• 측정된 kSZ-속도 상관관계는 8 arcmin 약실에서 3.0σ의 검출을 보이며, 데이터 내 일관된 속도 신호가 있음을 확인한다.
• SEVEM 지도에 대해 효과적 투과도는 $\tau_{\rm T} = (1.39 \\pm 0.46) \\times 10^{-4}$ 로 측정되었으며, 다른 전경 정제 지도들에서도 일관되게 나타난다.
• 이 값은 비virial 상태의 가스만을 고려할 경우 예상되는 값보다 약 3배 높으며, 확장된 비결속 가스에 의해 주로 기여된다는 것을 시사한다.
• 비virial 상태의 가스가 지배하는 모델은 관측된 kSZ 신호와 일치하지 않으며, 이러한 모델은 약실 크기가 증가함에 따라 kSZ 진폭이 감소한다고 예측한다.
• 결과는 kSZ 신호가 주로 비virial 반경 외부의 가스에서 기인하며, 대규모 물질 흐름과 함께 운동하고 있음을 지지한다.