[論文レビュー] The radio SZ effect as a probe of the cosmological radio background

G. P. Holder, Jens Chluba|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、宇宙背景電波が銀河団における明確な電波サニャエフ＝ツェルドビッチ（SZ）効果を引き起こす可能性を提案している。この効果により、電波背景のコンプトン化が従来のCMB SZ減退を相殺するため、約735 MHzでスペクトル的ゼロ点が生じる。典型的な銀河団では、このゼロ点近傍で電波SZ信号が約1 mKに達し、電波背景の宇宙論的起源、赤方偏移依存性、等方性を検出可能なプローブを提供する。また、運動的SZ測定におけるスペクトル的デゲネラシーを克服する可能性を有する。

ABSTRACT

If there is a substantial cosmological radio background, there should be a radio Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect that goes along with it. The radio background Comptonization leads to a slight photon excess at all wavelengths, while Comptonization of the CMB at low frequencies leads to a decrement. For levels of the radio background consistent with observations, these effects cancel each other around $ν\simeq 735~$MHz, with an excess at lower frequencies and a decrement at higher frequencies. Assuming a purely cosmological origin of the observed ARCADE radio excess, at $ν\lesssim 20\,{ m GHz}$ the signal scales as $ΔT / T_{ m CMB}\simeq 2\,y\left[ (ν/735\,{ m MHz})^{-2.59}-1 ight]$ with frequency and the Compton-$y$ parameter of the cluster. For a typical cluster, the total radio SZ signal is at the level of $ΔT\simeq 1\,{ m mK}$ around the null, with a steep scaling towards radio frequencies. This is above current raw sensitivity limits for many radio facilities at these wavelengths, providing a unique way to confirm the cosmological origin of the ARCADE excess and probe its properties (e.g., redshift dependence and isotropy). We also give an expression to compute the radio-analogue of the kinematic SZ effect, highlighting that this might provide a new tool to probe large-scale velocity fields and the cosmic evolution of the radio background.

研究の動機と目的

• 宇宙論的電波背景が銀河団において測定可能な電波SZ効果を引き起こすかどうかを調査すること。
• この効果の周波数依存スペクトル的特徴を特定し、そのゼロ周波数を同定すること。
• 現在の電波施設で電波SZ信号が検出可能かどうかを評価すること。
• 電波SZ効果が、電波背景の赤方偏移依存性および等方性を調べるためのプローブとしての可能性を検討すること。
• 大規模速度場の研究に向けた運動的SZ効果の電波アナログを導出すること。

提案手法

• 銀河団内の高温電子による電波背景のコンプトン化をモデル化するため、Kompaneets方程式を適用する。
• 周波数にわたる電波SZ信号のスケーリングに、コンプトンyパラメータを主要な観測量として用いる。
• スペクトル応答を ΔT/T_CMB ≈ 2y[(ν/735 MHz)^{-2.59} - 1] として導出する。ここで、指数はARCADE測定から得られたものである。
• 電波背景のコンプトン化がCMB SZ減退を相殺する周波数を計算し、ν ≈ 735 MHzでゼロ点が得られることを示す。
• 大規模速度場を調査するための運動的SZ効果の電波アナログを導出するための形式を拡張する。
• 電波背景の進化を調べるための観測戦略として、クラスタースタッキングと赤方偏移依存マッピングを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的電波背景が銀河団に及ぼす電波SZ効果のスペクトル的特徴は何か？
• RQ2 電波SZ効果が、従来のCMB SZ効果と相殺されることで消える周波数は何か？
• RQ3 予測された振幅が約1 mKであるにもかかわらず、現在の電波機器で電波SZ信号を検出可能か？
• RQ4 電波SZ効果は、宇宙論的電波背景の赤方偏移依存性を制約するためにどのように利用可能か？
• RQ5 運動的SZ効果の電波アナログは、CMBフラクチュエーションによる汚染を回避できる大規模速度場の調査に、どの程度の可能性を有するか？

主な発見

• 電波SZ効果は、電波背景のコンプトン化が従来のCMB SZ減退を相殺するため、約735 MHzでスペクトル的ゼロ点を示す。
• 典型的な銀河団では、このゼロ周波数近傍で電波SZ信号が約1 mKに達し、周波数が低下するに従い急激に増幅する。
• 信号の振幅はコンプトンyパラメータおよび電波背景のべき乗則指数に比例し、ΔT/T_CMB ≈ 2y[(ν/735 MHz)^{-2.59} - 1] と表される。
• 電波SZ効果は、現在の電波施設で低周波数帯で検出可能であり、ARCADE電波過剰の宇宙論的起源を直接調べるプローブとして有効である。
• 運動的SZ効果の電波アナログは、初期CMBフラクチュエーションによる汚染を回避できる非デゲネレートな大規模速度場のプローブを提供する。
• 電波SZ信号は、標準のyマップと空間的に相関しており、CMBおよび21cm調査と併用した前景低減と背景の調査に向けた共同モデリングが可能である。