[논문 리뷰] Faraday Rotation Effect of Intracluster Magnetic Field on Cosmic Microwave Background Polarization

Masahiro Takada, Hiroshi Ohno외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 12. 17.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 약 0.1–1 μG 강도의 은하단 내부 자기장(ICMFs)에서 기인하는 파라데이 회절 효과가 은하단을 통과하는 동안 우주 마이크파 배경(CMB)에 페어리티가 짝수인 B모드 편광을 유도하는 방식을 조사한다. CDM 모델과 은하단 기체에 대한 β-모델을 사용하여, 이 연구는 일반적인 매개변수에서 이 2차 B모드 신호가 약 0.1 μK에 도달함을 발견하였으며, 이는 주로 CMB 비균일성과 다른 2차 효과를 식별할 수 있는 주파수 의존성 탐사 수단을 제공한다. 또한 CMB, X선 및 수냐에프-젤도비치 데이터와의 교차상관을 통해 평균 은하단 내부 자기장을 제약하는 데 기여한다.

ABSTRACT

The observed magnetic field of microgauss strength in clusters of galaxies should induce the Faraday rotation effect on the linearly polarized cosmic microwave background (CMB) radiation when the CMB radiation propagates through a cluster at low redshift. Employing the Press-Schechter prescription for the cluster abundance under the cold dark matter (CDM) scenario and a plausible isothermal $β$-model for the gas distribution, we compute angular power spectra of the CMB polarization fields including the Faraday rotation mixing effect under the simple assumption of uniform magnetic field configuration across a cluster. As a result, we find that a parity-odd B-type polarization pattern is statistically generated on the observed sky, even when the primary polarization only contains the parity-even E-mode component, such as in the case of pure scalar perturbations. The generated B-type polarization has a peak with amplitude of $\sim0.1 μ{ m K}(B_0/0.1 μ{ m G})(ν_0/10 { m GHz})^{-2}$ at angular scales of $l\approx 1000$ for the currently favored adiabatic $Λ$CDM model. This result also implies that, if the magnetic field has a $0.5 μ{ m G}$ strength and we observe at lower frequencies such as $ν_0\simlt 5 { m GHz}$, the secondary signal due to the Faraday rotation effect could be comparable to the magnitude of the primary polarization. The frequency dependence of the Faraday rotation can be then used to discriminate the effect from primary and other secondary signals on the CMB polarizations. Our results therefore offer a new empirical opportunity to measure or constrain the intracluster magnetic field in the average sense.

연구 동기 및 목표

• 은하단 내부 자기장(ICMFs)에서 기인하는 파라데이 회절이 CMB의 전파 동안 유도하는 2차 CMB 편광 신호를 조사하는 것.
• 기본 CMB 편광이 순수하게 E모드일 경우에도 파라데이 회절 효과가 통계적으로 유의미한 B모드 편광 패턴을 생성할 수 있는지 평가하는 것.
• 표준 ΛCDM 모델과 합리적인 은하단 물리학 가정 하에서 유도된 B모드 신호의 진폭과 각 크기 의존성의 정량화.
• 이 효과가 평균 은하단 내부 자기장 강도와 공간 분포를 측정하거나 제약하는 데 새로운 경험적 방법으로 활용될 수 있는지 평가하는 것.
• 이 효과의 고유한 주파수 의존성 덕분에 이 2차 신호를 기본 CMB 비균일성 및 기타 2차 CMB 편광 효과로부터 분리하는 데의 가능성 탐색.

제안 방법

• 연구는 ΛCDM 프레임워크 내에서 은하단의 수를 모델링하기 위해 Press-Schechter 형식을 사용한다.
• 각 은하단 내에서 균일한 자기장 구성을 가정하고, 은하단 매질(ICM)의 전자 밀도 프로파일에 대해 β-모델을 사용한다.
• 선형 경로를 따라 파라데이 회절 각도는 전자 밀도, 자기장 강도, 경로 길이의 곱을 은하단 전체에 걸쳐 적분하여 계산된다.
• E모드와 B모드 간의 혼합 효과를 포함한 CMB 편광장의 각도 스펙트럼을 계산한다.
• CMBFAST 코드를 사용하여 파라데이 회절에서 기인하는 2차 B모드 기여를 포함한 CMB 스펙트럼을 시뮬레이션한다.
• 파라데이 회절 신호의 주파수 의존성을 분석하여, 이 신호가 기본 신호 및 기타 2차 신호와의 구별 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 신호가 순수하게 E모드일 경우에도 은하단 내부 자기장에서 기인하는 파라데이 회절이 통계적으로 유의미한 B모드 편광을 유도할 수 있는가?
• RQ2 일반적인 은하단 내부 자기장 강도와 은하단 매개변수에서 유도된 B모드 신호의 기대 진폭과 각 크기 의존성은 어떠한가?
• RQ3 파라데이 회절 효과의 주파수 의존성이 이 2차 신호를 기본 CMB 비균일성과 기타 2차 효과로부터 분리하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 이 효과가 평균 은하단 내부 자기장 강도와 연속성 척도를 제약하는 데 얼마나 유용한 탐사 수단이 될 수 있는가?
• RQ5 자기장 형태의 불확실성(예: 뒤틀린 자기장 또는 빔 스메어링)이 B모드 신호의 감지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 은하단 내부 자기장에서 기인하는 파라데이 회절 효과는 기본 CMB 편광이 순수하게 E모드일 경우에도 페어리티가 짝수인 B모드 편광 패턴을 유도한다.
• 자기장 강도가 0.1 μG이고 관측 주파수가 10 GHz일 경우, l ≈ 1000의 각 크기에서 유도된 B모드 신호의 진폭은 약 0.1 μK에 도달한다.
• 자기장 강도가 0.5 μG이고 주파수가 5 GHz 이하일 경우, 이 2차 파라데이 유도 B모드 신호의 진폭은 기본 CMB 편광과 유사한 크기에 도달할 수 있다.
• 파라데이 회절 신호의 주파수 의존성(ν⁻² 비례)은 이 2차 효과를 기본 CMB 비균일성 및 기타 2차 CMB 편광 신호와 분리하는 데 고유한 판별 수단을 제공한다.
• 결과는 CMB 편광도와 X선 및 수냐에프-젤도비치 데이터의 교차상관을 통해 평균 은하단 내부 자기장 강도를 제약하는 새로운 경험적 방법이 될 수 있음을 시사한다.
• 연구는 뒤틀린 자기장에 의한 탈편광화와 빔 스메어링 효과로 인해 신호가 자기장의 연속성 척도에 따라 억제될 수 있음을 밝혀내며 잠재적 한계를 규명한다.