[论文解读] Ionization by early quasars and Cosmic Microwave Background anisotropies

N. Aghanim, F.–X. Désert+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 17

一句话总结

本文提出，早期类星体通过其运动电离泡引起的动力学太阳-泽尔多维奇（SZ）效应，可在宇宙微波背景（CMB）中产生可探测的次级各向异性。与可忽略的热SZ效应不同，这些电离区域整体特殊速度的一阶动力学SZ效应在最大1°的尺度上产生δT/T ≈ 10⁻⁶至10⁻⁴的非高斯温度涨落，引入一种可测量的特征，可能掩盖或模仿原初非高斯性。

ABSTRACT

We discuss the photoionization of the intergalactic medium by early formed quasars and propose a mechanism which could generate measurable temperature fluctuations $δ_{T }~=~ΔT/T$ of the cosmic microwave background (CMB). Early quasars produce individual ionized regions around themselves. We evaluate both thermal and kinetic (first-order Doppler) Sunyaev-Zeldovich (SZ) effects associated with those ionized regions.

研究动机与目标

• 研究早期类星体对宇宙微波背景（CMB）各向异性的效应，超越标准再电离效应。
• 评估高红移类星体周围电离泡是否可通过动力学太阳-泽尔多维奇效应产生可测量的次级CMB畸变。
• 确定这些畸变是否引入非高斯特征，从而可能干扰对原初CMB统计的解释。
• 评估此类效应在现有及未来CMB观测中的可探测性，尤其与吉本斯-彼得森效应的关系。

提出的方法

• 使用各向同性辐射发射和标准再电离物理模型，对高红移类星体周围的孤立球对称电离泡进行建模。
• 通过类星体光度和红移推导出汤姆孙光学厚度τ与径向特殊速度v_r/c的乘积，计算动力学太阳-泽尔多维奇（SZ）效应。
• 通过公式（18）推导出气泡角直径、温度涨落δT/T与径向速度之间的关系，从而实现从观测中反演速度。
• 基于类星体计数和角半径，使用泊松分布和高斯随机分布模拟CMB各向异性图。
• 通过计算峰度等统计特性来量化非高斯性，发现当类星体寿命为10⁷年时，峰度≈1.4。
• 使用球谐函数将类星体引起的各向异性功率谱与原初涨落进行比较，显示在小角尺度上可能存在主导效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移类星体周围的电离泡是否可通过动力学太阳-泽尔多维奇效应在CMB中产生可测量的次级各向异性？
• RQ2 这些各向异性的非高斯性程度如何？这可能如何影响对原初CMB涨落的解释？
• RQ3 此类电离泡引起的温度涨落δT/T的预期振幅和角尺度是多少？
• RQ4 这些各向异性的统计特性（如峰度）如何依赖于类星体寿命和光度？
• RQ5 未来对具有吉本斯-彼得森效应的类星体的观测是否可用于探测和测量电离泡的特殊速度？

主要发现

• 早期类星体周围运动电离泡的动力学太阳-泽尔多维奇效应可产生可探测的CMB温度涨落，δT/T ≈ 10⁻⁶至10⁻⁴，角尺度最大达1°。
• 由于气体温度较低，这些泡中的热SZ效应可忽略不计，因此动力学效应是次级各向异性的主导来源。
• 所诱导各向异性的统计分布显著呈现非高斯性，当类星体寿命为10⁷年时，峰度约为1.4。
• 这些次级各向异性的功率谱可能在小角尺度上超过原初涨落，尤其是在原初信号被衰减的区域。
• 提出一种直接观测方法：通过测量δT/T和气泡角直径θ，可利用公式（32）反演其径向特殊速度，从而实现从CMB数据中测量速度。