[论文解读] Cluster richness-mass calibration with cosmic microwave background lensing

J. E. Geach, J. A. Peacock|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文利用普朗克卫星的宇宙微波背景（CMB）强引力透镜效应，校准了光学集群丰度与总质量之间的关系，对26,111个由redMaPPer算法选出的星系团堆叠会聚信号。该研究实现了丰度-质量关系10%精度的校准，展示了对星系团物理不敏感的稳健质量测量，各丰度区间信号与噪声比为3.2–6.8σ。

ABSTRACT

Identifying galaxy clusters through overdensities of galaxies in photometric surveys is the oldest and arguably the most economic and mass-sensitive detection method, compared to X-ray and Sunyaev-Zel'dovich Effect surveys that detect the hot intracluster medium. However, a perennial problem has been the mapping of optical 'richness' measurements on to total cluster mass. Emitted at a conformal distance of 14 Gpc, the cosmic microwave background acts as a backlight to all intervening mass in the Universe, and therefore has been gravitationally lensed. Here we present a calibration of cluster optical richness at the 10 per cent level by measuring the average cosmic microwave background lensing convergence measured by Planck towards the positions of large numbers of optically-selected clusters, detecting the deflection of photons by haloes of total mass of the order 10**14 solar masses. Although mainly aimed at the study of larger-scale structures, the Planck lensing reconstruction can yield nearly unbiased results for stacked clusters on arcminute scales. The lensing convergence only depends on the redshift integral of the fractional overdensity of matter, so this approach offers a clean measure of cluster mass over most of cosmic history, largely independent of baryon physics.

研究动机与目标

• 利用与重子物理无关的方法，校准光学丰度（λ）与星系团总质量（M）之间的关系。
• 利用CMB强引力透镜效应作为宇宙时空中对星系团质量的清晰、无偏探测手段。
• 评估tSZ污染和会聚测量中强引力透镜估计器偏差等系统性效应的影响。
• 量化星系团浓度与红移演化不确定性对丰度-质量关系稳健性的影响。

提出的方法

• 将普朗克CMB强引力透镜会聚图在26,111个由光学方法选出的redMaPPer星系团周围堆叠，按丰度λ分箱。
• 使用二次估计器方法，从CMB温度和极化各向异性中重建强引力透镜会聚κ，滤除ℓ > 2048的模式。
• 应用匹配滤波技术，对投影质量的NFW剖面建模，通过拟合堆叠会聚信号反推出星系团质量。
• 通过包含与不包含tSZ污染的端到端模拟，评估会聚幅度的偏差，发现高质质量下存在0.5–2%的低估。
• 通过模拟Hu（2001）强引力透镜估计器的尺度依赖响应，检验小尺度上的低估效应，显示由于高通滤波（ℓ > 2048），其影响可忽略。
• 通过在经验不确定范围内改变c(M,z)关系，评估对星系团浓度的敏感性，发现质量估计值变化不超过6%。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMB强引力透镜效应能否提供一种稳健、对重子物理不敏感的星系团丰度-总质量校准？
• RQ2 tSZ污染如何影响普朗克强引力透镜图中测得的会聚幅度？
• RQ3 在星系团周围小角度尺度上，强引力透镜会聚估计器在多大程度上存在偏差？
• RQ4 丰度-质量校准对星系团浓度-质量关系不确定性的敏感度如何？

主要发现

• 在四个丰度区间内，堆叠的CMB强引力透镜会聚信号分别以3.2σ、4.2σ、4.9σ和6.8σ的显著性水平被检测到，证实了丰度与质量之间存在强相关性。
• 会聚幅度随丰度单调增加，最高丰度区间（λ ≥ 46）的信噪比峰值达到6.8σ。
• 普朗克强引力透镜图中残留的tSZ污染导致会聚幅度低估0.5–2%，且随星系团质量增加而加剧，但与统计不确定性相比可忽略不计。
• Hu（2001）强引力透镜估计器在小尺度上引入了尺度依赖偏差，但该偏差被高通滤波（ℓ > 2048）有效去除，因此在分析中可忽略。
• 在经验1σ不确定范围内对星系团浓度-质量关系的系统性变化进行评估，发现质量估计值在不同丰度区间内变化2–6%，远小于10%的校准不确定性。
• 该方法实现了丰度-质量关系10%精度的校准，提供了一种与重子物理无关、宇宙学稳健的质量估计方法。