[论文解读] The extended ROSAT-ESO Flux-Limited X-ray Galaxy Cluster Survey (REFLEX II) VI. Effect of massive neutrinos on the cosmological constraints from clusters

H. Boehringer, Gayoung Chon|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 33被引用 5

一句话总结

本文研究了大质量中微子对来自REFLEX II X射线星系团巡天的宇宙学约束的影响。通过在X射线光度函数分析中引入中微子质量，发现总中微子质量 $ M_{\nu} = 0.45 \pm 0.28 $ eV 可调和普朗克CMB数据与星系团观测之间的张力，突显了星系团尽管存在标定关系中的系统误差，仍是中微子质量约束的强大探针。

ABSTRACT

Clusters of galaxies are important probes for the large-scale structure that allow us to test cosmological models. With the REFLEX II galaxy cluster survey we previously derived tight constraints on the cosmological parameters for the matter density, Omega_m, and the amplitude parameter of the matter density fluctuations, sigma_8. Whereas in these previous studies no effect of massive neutrinos was taken into account, we explore these effects in the present publication. We derive cosmological constraints for the sum of the neutrino masses of the conventional three neutrino families in the range 0 to 0.6 eV. The influence on the constraints of Omega_m and sigma_8 for the expected mass range is weak. Interesting constraints on the neutrino properties can be derived by comparing the cluster data with those from the Planck cosmic microwave background observations. The current tension between the Planck results and clusters can formally be resolved with neutrino masses of about M_nu = 0.45 (+- 0.28, 1-sigma) eV. While we caution not to consider this a firm measurement because it might also be the result of unresolved systematics, it is interesting that other measurements of the local large-scale structure fluctuation amplitude, like that of cosmic lensing shear, yield similar results and additionally confirm the effect of massive neutrinos. Among the indicators for massive neutrinos, galaxy clusters and in particular our large and well-controlled cluster survey currently provide the best potential for constraints of the total neutrino mass.

研究动机与目标

• 评估大质量中微子对来自REFLEX II X射线星系团巡天的宇宙学参数约束的影响。
• 通过引入中微子质量效应，解决普朗克CMB观测与基于星系团的宇宙学约束之间的张力。
• 评估星系团在总中微子质量约束方面与其它大尺度结构探针相比的竞争力。
• 量化中微子质量对 $ \Omega_m $ 和 $ \sigma_8 $ 的影响，特别是在 $ M_\nu = 0.06 $ 到 $ 0.6 $ eV 的预期范围内。
• 检查中微子质量约束在多个探针（包括宇宙弱引力透镜和CMB数据）之间的一致性。

提出的方法

• 本研究利用统计完备的REFLEX II星系团巡天的X射线光度函数，推导出 $ \Omega_m $ 和 $ \sigma_8 $ 的宇宙学约束，同时考虑中微子质量的影响。
• 采用修正的物质功率谱，以反映大质量中微子导致的小尺度涨落衰减，总中微子质量 $ M_\nu = \sum m_{\nu i} $ 作为自由参数。
• 通过联合似然方法比较星系团导出的约束与普朗克CMB数据，评估其一致性。
• 通过 $ \sigma_8^{\text{eff}} = \sigma_8^{\text{true}} \times \frac{\sigma_8^{\text{ref}}}{\sigma_8^{\text{mod}}} $ 应用标定关系修正，调整中微子质量对物质涨落幅度的影响。
• 对X射线标定关系中的系统不确定性采取保守处理，反映当前星系团质量校准的局限性。
• 通过 $ \Omega_\nu = \frac{\sum m_{\nu i}}{93.14 \, \text{eV}} h^2 $ 将中微子质量与宇宙学参数联系起来，纳入中微子对临界密度的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量中微子如何影响来自REFLEX II星系团巡天的 $ \Omega_m $ 和 $ \sigma_8 $ 的宇宙学约束？
• RQ2 通过引入大质量中微子，能否解决普朗克CMB结果与基于星系团的宇宙学约束之间的观测张力？
• RQ3 为调和星系团数据与普朗克CMB观测，所隐含的总中微子质量 $ M_\nu $ 是多少？
• RQ4 星系团的约束与宇宙弱引力透镜和Ly$\alpha$森林等其他大尺度结构探针相比如何？
• RQ5 当前星系团标定关系中的系统误差在多大程度上限制了中微子质量约束的精度？

主要发现

• 在预期的中微子质量范围 $ M_\nu = 0.06 $ 到 $ 0.6 $ eV 内，大质量中微子的引入仅对 $ \Omega_m $ 和 $ \sigma_8 $ 的约束产生微弱影响。
• 总中微子质量 $ M_\nu = 0.45 \pm 0.28 $ eV（1σ）在形式上可调和普朗克CMB数据与基于星系团的宇宙学约束之间的差异。
• 该结果与独立的宇宙弱引力透镜测量结果一致，例如CFHTLenS巡天给出的 $ M_\nu = 0.320 \pm 0.081 $ eV。
• 由于其统计完备性和较低的系统误差，REFLEX II星系团巡天在大尺度结构探针中提供了部分最紧的总中微子质量约束。
• 本研究证实，星系团是中微子质量最强有力的探针之一，尤其是在与CMB数据结合时。
• 尽管对标定关系不确定性处理保守，结果表明未来星系团质量校准和CMB系统误差的改进可显著收紧中微子质量约束。