[論文レビュー] The effect of massive neutrinos on the SZ and X-ray observables of galaxy clusters

M. Roncarelli, C. Carbone+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、全ニュートリノ質量 Σmν = 0, 0.17, 0.34 eV の6つの大型宇宙論的シミュレーションを用いて、質量を持つニュートリノが銀河団におけるサニヤエフ＝ゼルドビッチ（SZ）およびX線観測量に与える影響を調査している。Σmν = 0.34 eV のモデルでは、SPTおよびeROSITAの調査において予想される銀河団検出数が40%減少することが判明した。また、ニュートリノ質量、σ8、Ωmの間には強いデゲネラシーが存在するが、yパラメータおよびSZパワー スペクトルの正規化はニュートリノ割合 fν に強く依存している。

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.

研究の動機と目的

• 大規模構造形成における質量を持つニュートリノがSZおよびX線銀河団観測量に与える影響を評価すること。
• プランクの結果が示唆するように、非ゼロのニュートリノ質量がCMBデータとSZ銀河団調査の間に生じる不一致を解消できるかどうかを検証すること。
• 将来のSPTおよびeROSITA調査における銀河団の検出可能性を、異なるニュートリノ質量のシナリオのもとで予測すること。
• X線およびSZデータにおけるニュートリノ質量、σ8、Ωmの間のデゲネラシーを定量化すること。
• ニュートリノ質量割合 fν に伴うyパラメータおよびSZパワー スペクトルのスケーリングをモデル化すること。

提案手法

• 冷たいダークマターと質量を持つニュートリノを含む6つの大型宇宙論的シミュレーション（8 h−3 Gpc³ の共動体積）を実行し、Σmν = 0, 0.17, 0.34 eV の条件を設定した。
• シミュレーション出力からホールカタログを抽出し、実際の調査シミュレーションに適した50のモック光錐を生成した。
• 実験的スケーリング関係を適用して、SZおよびX線銀河団の性質（yパラメータおよび銀河団数を含む）を予測した。
• yパラメータのパワー スペクトルを計算し、ニュートリノ質量割合 fν に依存する度合いを分析した。
• プランク宇宙論的パラメータを仮定し、l = 3000 におけるモデル予測をSPTおよびACTの測定値と比較した。
• X線およびSZデータを用いて、ニュートリノ質量、σ8、Ωmの間のデゲネラシーを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ゼロの全ニュートリノ質量が、SPTおよびeROSITA調査における検出可能な銀河団の数にどのように影響を与えるか？
• RQ2 銀河団支配領域において、yパラメータおよびそのパワー スペクトルがニュートリノ質量割合 fν にどの程度依存するか？
• RQ3 質量を持つニュートリノが、CMBとSZ銀河団調査のデータの不一致を解消できるか？
• RQ4 X線およびSZ銀河団観測量において、ニュートリノ質量、σ8、Ωmの間のデゲネラシーはどの程度強いのか？
• RQ5 l = 3000 におけるSPTおよびACTのSZパワー スペクトル測定値を最もよく適合させるには、どのニュートリノ質量範囲が必要か？

主な発見

• 全ニュートリノ質量 Σmν = 0.34 eV のモデルでは、質量のないニュートリノモデルと比較して、SPTおよびeROSITA調査における銀河団検出数が40%減少する。
• クラスタ成分のみを考慮した場合、yパラメータの正規化は (1−fν)²⁰ にほぼ比例する。
• SZパワー スペクトルの正規化は (1−fν)²⁵⁻³⁰ に比例し、ニュートリノ質量割合に強く依存していることが示された。
• ニュートリノ質量、σ8、Ωmの間のデゲネラシーは強く、特にX線データにおいて顕著であり、これを解消するには追加のプローブが必要である。
• プランク宇宙論的パラメータを仮定した場合、l = 3000 におけるSPTおよびACTのSZパワー スペクトル測定値は、0.17–0.34 eV のニュートリノ質量範囲で最もよく適合する。