[논문 리뷰] The effect of massive neutrinos on the SZ and X-ray observables of galaxy clusters

M. Roncarelli, C. Carbone외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 총 중성미온 질량(Σmν = 0, 0.17, 0.34 eV)을 가진 여섯 개의 대규모 천체역학 시뮬레이션을 사용하여, 대규모 구조 형성에서 질량을 가진 중성미온이 수인예프-절드비치(SZ) 및 X선 관측량에 미치는 영향을 조사한다. Σmν = 0.34 eV 모델은 SPT 및 eROSITA 설문조사에서 예상되는 클러스터 탐지 수를 40% 감소시키며, 중성미온 질량, σ8 및 Ωm 간에 강한 디제너러시가 존재함을 발견한다. 또한 y-파arameter 및 SZ 파wer 스펙트럼 정규화는 중성미온 비율 fν에 강하게 의존한다.

ABSTRACT

Massive neutrinos are expected to influence the formation of the large-scale structure of the Universe, depending on the value of their total mass, Σ mν. In particular Planck data indicate that a non-zero value of Σ mν may help to reconcile CMB data with Sunyaev-Zel’dovich (SZ) cluster surveys. In order to study the impact of neutrin os on the SZ and X-ray cluster properties, we run a set of six very large cosmological simulations (8 h −3 Gpc 3 comoving volume) that, besides cold dark matter, include the presence of a massive neutrino particle component: we consider the values of Σ mν = (0, 0.17, 0.34) eV in two different cosmological scenarios to test possible degeneracies. Using the halo cat alogues extracted from their outputs, we produce 50 mock light-cones and, assuming suitable scaling relations, we determine the influence of massive neutrinos on both SZ and X-ray cluster co unts and other SZ properties such as the y-parameter and its power spectrum. We provide forecasts for the forthcoming SPT and eROSITAcluster surveys, showing that the number of expected detections is reduced by 40 per cent when assuming Σ mν=0.34 eV with respect to a model without neutrinos. However the degeneracy with σ8 and Ωm is strong, in particular for X-ray data, requiring the use of additional probes to break it. The y-parameter properties are also highly influenced by the neutrino mass fraction, fν, with hyi ∝ (1− fν) 20 , considering the cluster component only. We also find that the normalisation of the SZ power spectrum is pr oportional to (1− fν) 25−30 . Our findings can be compared with SPT and ACT measurements at l = 3000 indicating that, when Planck cosmological parameters are assumed, a value of Σ mν between 0.17 eV and 0.34 eV is required to fit the data.

연구 동기 및 목표

• 대규모 구조 형성에서 질량을 가진 중성미온이 SZ 및 X선 은하계 클러스터 관측량에 미치는 영향을 평가하기.
• 플랑크 결과에서 제안된 바와 같이, 비제로인 중성미온 질량이 CMB 데이터와 SZ 클러스터 설문조사 간의 불일치를 해소할 수 있는지 테스트하기.
• 다양한 중성미온 질량 시나리오 하에서 향후 SPT 및 eROSITA 설문조사에서 은하계 클러스터의 탐지 가능성 예측하기.
• X선 및 SZ 데이터에서 중성미온 질량, σ8 및 Ωm 간의 디제너러시를 정량화하기.
• 중성미온 질량 비율 fν에 따른 y-파arameter 및 SZ 파워 스펙트럼의 스케일링을 모델링하기.

제안 방법

• 냉각된 어둠료 물질과 질량을 가진 중성미온을 포함한 여섯 개의 대규모 천체역학 시뮬레이션(8 h−3 Gpc³의 공칭 볼륨)을 실행하며, Σmν = 0, 0.17, 0.34 eV로 설정한다.
• 시뮬레이션 출력물에서 하이드로다이내믹스 클러스터 카탈로그를 추출하여, 현실적인 설문조사 시뮬레이션을 위한 50개의 모의 라이트콘을 생성한다.
• empirical scaling 관계를 적용하여, y-파람터 및 클러스터 수를 포함한 SZ 및 X선 클러스터 특성을 예측한다.
• y-파람터 파wer 스펙트럼을 계산하고, 중성미온 질량 비율 fν에 대한 의존성을 분석한다.
• 플랑크 천체역학적 파rameters를 기반으로, l = 3000에서 SPT 및 ACT 측정치와 모델 예측치를 비교한다.
• X선 및 SZ 데이터를 사용하여 중성미온 질량, σ8 및 Ωm 간의 디제너러시를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비제로 총 중성미온 질량은 SPT 및 eROSITA 설문조사에서 탐지 가능한 은하계 클러스터의 예상 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 클러스터 지배 영역에서 y-파람터 및 그 파워 스펙트럼은 중성미온 질량 비율 fν에 얼마나 강하게 스케일링되는가?
• RQ3 질량을 가진 중성미온은 CMB와 SZ 클러스터 설문조사 데이터 간의 불일치를 해결할 수 있는가?
• RQ4 X선 및 SZ 클러스터 관측량에서 중성미온 질량, σ8 및 Ωm 간의 디제너러시는 얼마나 강한가?
• RQ5 l = 3000에서 SPT 및 ACT의 SZ 파워 스펙트럼 측정치를 가장 잘 맞추기 위해 필요한 중성미온 질량 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 총 중성미온 질량 Σmν = 0.34 eV 모델은 질량이 없는 중성미온 모델 대비 SPT 및 eROSITA 설문조사에서 예상되는 클러스터 탐지 수를 40% 감소시킨다.
• 클러스터 성분만을 고려할 경우, y-파람터 정규화는 약 (1−fν)²⁰ 비례한다.
• SZ 파워 스펙트럼 정규화는 (1−fν)²⁵⁻³⁰ 비례하며, 이는 중성미온 질량 비율에 강한 의존성을 보임을 시사한다.
• 중성미온 질량, σ8 및 Ωm 간의 디제너러시는 강하며, 특히 X선 데이터에서 두드러지며, 이를 깨기 위해 추가 측정이 필요하다.
• 플랑크 천체역학적 파라미터를 가정할 경우, SPT 및 ACT 측정치는 l = 3000에서 중성미온 질량 범위 0.17–0.34 eV로 가장 잘 맞는다.