[論文レビュー] Finding the Missing Baryons Using CMB as a Backlight

Shirley Ho, Simon DeDeo+1 more|ArXiv.org|Mar 16, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、大規模構造サーベイから得られる銀河運動量テンプレートと宇宙背景放射（CMB）マップをクロス相関させることで、銀河間媒体に存在する欠落しているバリオンを検出する新規手法を提案する。運動量によるキネティック・スニューエーヴ・ゼルドビッチ（kSZ）効果を活用することで、Planckでは11–32、ACTでは4–12の信号対雑音比を達成し、温度や金属量に関する仮定に依存せずにイオン化ガスの直接検出が可能となる。

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.

研究の動機と目的

• 局所宇宙における観測で捉えられていない、長年の宇宙論的問題である欠落したバリオンを解消すること。
• X線やライマンアルファサーベイが、宇宙の網構造における低密度・低温のイオン化ガスを検出できないという従来手法の限界を克服すること。
• 電子の運動量と散乱にのみ依存する、モデルに依存しない強固な手法を確立し、イオン化ガスをキネティック・スニューエーヴ・ゼルドビッチ（kSZ）効果によって検出すること。
• X線やtSZ検出に適さない、フィラメントや空洞における低密度領域のバリオン検出を可能にすること。
• ACT、SPT、PlanckのCMBデータと直接クロス相関できるよう、公開用の運動量テンプレートを提供すること。

提案手法

• 再構築された大規模構造の速度場から、赤方偏移方向のバリオン運動量場 $\mathbf{p} = (1 + \delta_b) \mathbf{v}_b $ を投影することでkSZテンプレートを構築する。
• 線形理論と銀河赤方偏移サーベイ（例：SDSS-DR4、SDSS3、ADEPT）を用いて速度場を再構築し、速度場がダークマターおよびバリオンの流れを追跡すると仮定する。
• kSZ伝達関数を用いてCMB温度非一様性を計算する：$ \Theta(\hat{n}) = -\int d\eta \, g(\eta) \, \mathbf{n} \cdot \mathbf{p}(\hat{n}\eta, \eta) $、ここで $g(\eta)$ は可視度関数である。
• kSZテンプレートとACTおよびPlanckのCMBマップをクロス相関させ、相関係数を最大化することで信号を抽出する。
• 光学的厚さと再電離期のイオン化歴を反映する可視度関数 $g(\eta)$ を用いて、共動距離にわたる積分を重みづけする。
• この手法を用いて、他の手法が失敗する低密度領域における宇宙網内のイオン化ガスの検出を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線やライマンアルファサーベイが感度を欠く低密度の銀河間媒体におけるイオン化バリオンを、キネティック・スニューエーヴ・ゼルドビッチ効果で検出可能か？
• RQ2 現在および将来のサーベイから得られる銀河運動量テンプレートとのクロス相関によるkSZ効果の期待される信号対雑音比はどの程度か？
• RQ3 kSZクロス相関手法は、tSZや他のバリオン検出手法と比較して感度や系誤差の点でどのように異なるか？
• RQ4 ボンディングされた銀河サーベイを用いることで、赤方偏移に応じたバリオン含量およびガスプロファイルの進化を追跡可能か？
• RQ5 サーベイの深さ、分解能、面積が、このテンプレートベース手法によるkSZ信号検出可能性に与える影響は何か？

主な発見

• ACT（2000 deg²）とADEPTを用いたkSZクロス相関では12.2の信号対雑音比を達成し、PlanckとADEPTを用いると32.2に達する。これは高い検出可能性を示している。
• SDSS-DR4を用いたPlanckの信号対雑音比は11.2と推定され、既存および将来のCMBサーベイで検出の可能性が強く示唆される。
• kSZ信号は主にフィラメントおよび大規模構造内のガスの流れに起因し、熱的圧力ではなく、低密度・低温ガスに敏感である。
• 金属量やイオン化状態に関する仮定を避けており、電子密度と速度にのみ依存する。これらは線形理論で良好にモデル化可能である。
• SDSSから得た運動量テンプレートは、http://www.astro.princeton.edu/~shirley/SZ/SZ.html で公開されており、CMBデータと直接利用可能である。
• この手法により、空洞内や銀河周囲のバリオン検出が可能となり、宇宙時間にわたるガス分布と進化を新たに探査できる手段が得られる。