[논문 리뷰] Galaxy Clusters as mirrors of the distant Universe. Implications for the kSZ and ISW effects

C. Hernández–Monteagudo, R. A. Sunyaev|arXiv (Cornell University)|2009. 05. 19.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 저시기의 통합 사크스-월프(ISC) 효과의 성장을 맵핑하기 위해 은하단에서 코smic 마이크로파배경(CMB) 이방이성의 투명도 산란에 의해 유도된 블러링을 천체물리학적 탐사수 Mittelwert으로 제안한다. 정확한 kSZ 오염 제거를 통해, 광학적 깊이와 본질적 CMB 이방이성에 비례하는 블러링 항은 다양한 적색편이에서의 은하단에서 측정 가능하며, 이는 100–200 km s⁻¹의 특이속도 정밀도를 요구함으로써 타임스케일적 ISW 진화를 재구성할 수 있게 한다.

ABSTRACT

It is well known that Thomson scattering of CMB photons in galaxy clusters introduces new anisotropies in the CMB radiation field, but however little attention is payed to the fraction of CMB photons that are scattered off the line of sight, causing a slight blurring of the CMB anisotropies present at the moment of scattering. In this work we study this {\it blurring} effect, and find that it has a non-negligible impact on estimations of the kinetic Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) effect: it induces a 10% correction in 20-40% of the clusters/groups, and a 100% correction in $\sim 5$% of the clusters in an ideal (noiseless) experiment. We explore the possibility of using this blurring term to probe the CMB anisotropy field at different epochs in our Universe. In particular, we study the required precision in the removal of the kSZ that enables detecting the blurring term $-τ_T δT / T_0$ in galaxy cluster populations placed at different redshift shells. By mapping this term in those shells, we would provide a tomographic probe for the growth of the Integrated Sachs Wolfe effect (ISW) during the late evolutionary stages of the Universe. We find that the required precision of the cluster peculiar velocity removal is of the order of 100 -- 200 km s$^{-1}$ in the redshift range 0.2 -- 0.8, after assuming that all clusters more massive than 10$^{14}$ h$^{-1}$ M$_{\odot}$ are observable. These errors are comparable to the total expected linear line of sight velocity dispersion for clusters in WMAPV cosmogony, and correspond to a residual level of roughly 900 -- 1800 $τ_T μ$K per cluster, including all types of contaminants and systematics. Were this precision requirement achieved, then independent constraints on the intrinsic cosmological dipole would be simultaneously provided.

연구 동기 및 목표

• 은하단에서 비선형적 스캐터링에 의해 CMB 이방이성이 흐려지는 투명도 산란에 의한 블러링 항의 천체물리학적 의의를 조사하기 위해.
• 특히 고정밀 CMB 실험에서 운동적 수야에프-젤드비츠(ksZ) 효과 정확한 측정에 이 블러링 효과가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 ISW 효과의 성장을 추적하기 위해, 다양한 우주 시기에서 CMB 이방이성장에 대한 직접 탐사 수 Mittelwert으로서의 블러링 항의 가능성 탐색하기 위해.
• 블러링 신호를 분리하고 타임스케일적 ISW 맵핑을 가능하게 하기 위해 특이속도 재구성에 필요한 정밀도를 결정하기 위해.
• 이 정밀도를 확보할 경우, 국부적 속도 흐름과 독립적으로 본질적 천체물리학적 디폴의 제약 조건을 동시에 제공할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 블러링 효과는 CMB 온도 이방이성 방정식의 수정 항으로 모델링되며, ΔT/T₀ = −τ_T ∑ₗ aₗ Pₗ(μ)로 표현되며, 여기서 τ_T는 투명도 산란 광학 깊이이고 aₗ는 다중극계수이다.
• 집단의 특이속도에 의한 도플러 시프트를 고려함으로써 블러링 항을 kSZ 효과에서 분리한다. 이는 v·n̂/c의 정밀한 재구성 필요하다.
• 질량 >10¹⁴ h⁻¹ M⊙인 은하단은 관측 가능하고, X선 또는 tSZ 관측을 통해 τ_T가 알려져 있다고 가정한다.
• 시스템적 오차를 최소화한다는 가정 하에, CMB 지도에서 은하단 위치에서 kSZ, tSZ 및 점원자 잔여항을 제거함으로써 블러링 신호를 추출한다.
• 통계적 접근법을 사용하며, 적색편이층(z = 0.2–0.8)에 위치한 은하단 집합에서 블러링 신호를 탐지하기 위해 하늘의 패치를 스캔한다.
• 잔여 오차가 블러링 신호를 가리지 않아야 하므로, 이 조건에서 필요한 속도 정밀도를 유도한다. 블러링 신호는 τ_T μK 비례로 스케일링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투명도 산란에 의한 블러링 항이 은하단에서의 kSZ 측정에 얼마나 큰 편향을 유도하는가?
• RQ2 충분한 속도 정밀도를 확보할 경우, 다양한 적색편이에서의 은하단 CMB 관측에서 블러링 항을 고립시킬 수 있는가?
• RQ3 블러링 신호를 탐지하고 타임스케일적 ISW 맵핑을 가능하게 하기 위해 특이속도 정확도가 어느 정도여야 하는가?
• RQ4 블러링 신호는 저시기 CMB 이방이성의 성장, 특히 ISW 효과에 의해 유도된 것과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 블러링 신호는 국부적 속도 흐름과 분리된 채로 본질적 천체물리학적 디폴을 독립적으로 제약 조건으로 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 이deal한 노이즈 없는 실험에서, 블러링 항은 약 20–40%의 은하단에서 10%의 보정을 유도하고, 약 5%의 은하단에서는 최대 100%까지 영향을 미쳐 kSZ 추정에 중대한 영향을 준다.
• 블러링 신호를 탐지하고 ISW 성장을 맵핑하기 위해 적색편이 범위 z = 0.2–0.8 전역에서 특이속도 재구성 정밀도 100–200 km s⁻¹ 가 필요하다.
• 이 속도 오차는 모든 오염원과 시스템적 오차를 포함하여, 클러스터당 900–1800 τ_T μK의 잔여 수준에 해당한다.
• 블러링 신호는 산란 시점의 본질적 CMB 이방이성에 비례하므로, 그 시점의 CMB 장을 거울처럼 반영한다.
• 다른 적색편이층에서의 은하단에서 블러링 항을 측정함으로써, 저시기 우주 가속화 동안 ISW 효과의 진화를 타임스케일적 재구성 가능하다.
• 이 정밀도를 확보할 경우, 국부적 디폴 측정과 별개로 본질적 천체물리학적 디폴에 대한 독립적 제약 조건을 동시에 확보할 수 있다.