[论文解读] Comptonization of the Cosmic Microwave Background by Relativistic Plasma

T. A. Enßlin, Christian Kaiser|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用 10

一句话总结

本文研究了相对论性等离子体对宇宙微波背景（CMB）的康普顿化效应，推导出在所有相对论性区域中适用于幂律电子分布的精确解析光子散射核。研究发现，相对论性太阳亚夫-泽尔多维奇效应的减小量测量的是电子数密度而非能量，而高频段的相对论性增量则揭示了电子能谱形状，为未来仪器提供了探测手段。该研究估算射电星系能量释放引起的康普顿化效应，发现在古老射电等离子体中热y参数约为10⁻⁶，相对论性光学深度约为10⁻⁷，若未被考虑，可能对哈勃常数的测量造成偏差。

ABSTRACT

We investigate the spectral distortion of the cosmic microwave background (CMB) caused by relativistic plasma. Within the Thomson regime, an exact analytic expression for the photon scattering kernel of a momentum power-law elec- tron distribution is given, which is valid from the non- to the ultra-relativistic regime. The decrement in the photon spectrum saturates for electron momenta above 3 me c to that of an op- tically thick absorber with the optical depth of the relativistic electrons given by the Thomson limit. Thus, the ultra-relativistic Sunyaev-Zeldovich (SZ) decrement measures the electron num- ber and not the energy content. On the other hand, the relativis- tic SZ increment at higher frequencies depends strongly on the spectral shape of the electrons, allowing for investigation of relativistic electron populations with future instruments. We calculate the expected Comptonization due to the en- ergy release of radio galaxies, which we estimate to be 3 10 66 ergGpc 3 . We investigate Comptonization from (a) the part of the released energy which is thermalized and (b) the relativistic, remnant radio plasma, which may form a second, relativistic phase in the intergalactic medium, nearly unobserv- able for present day instruments (presence of so called 'radio ghosts'). We find a thermal Comptonization parameter due to (a) of y 10 6 and (b) an optical depth of relativistic electrons in old radio plasma of rel 10 7 . If a substantial fraction of the volume of clusters of galaxies is filled with such old ra- dio plasma the SZ effect based determination of the Hubble constant is biased to lower values, if this is not accounted for. Finally, it is shown that a supra-thermal population of electrons in the Coma cluster would produce a signature in the Wien-tail of the CMB, which is marginally detectable with a multifre- quency measurement by the Planck satellite. Such an electron population is expected to exist, since its bremsstrahlung would explain Coma's recently reported high energy X-ray excess.

研究动机与目标

• 推导出从非相对论到极端相对论电子动量范围内，适用于幂律电子分布的精确解析光子散射核表达式。
• 确定相对论性电子引起的康普顿化对CMB光谱的影响，特别是在相对论性太阳亚夫-泽尔多维奇效应背景下的表现。
• 评估射电星系能量释放对CMB的影响，区分热化能量与残留的相对论性等离子体。
• 评估若在基于SZ效应的分析中未考虑星系团中古老相对论性射电等离子体，可能对哈勃常数测量造成的偏差。
• 研究通过高频CMB测量探测星系团（如后发星系团）中超热电子群体的可探测性。

提出的方法

• 推导出适用于从非相对论到极端相对论电子动量范围的精确解析光子散射核表达式，假设电子动量呈幂律分布。
• 应用该核函数，基于汤姆孙散射区域作为基础，计算相对论性电子等离子体中CMB光谱畸变。
• 假设部分能量被热化，计算射电星系能量释放引起的热康普顿化参数（y）。
• 假设电子能量呈幂律分布，利用推导出的散射核估算古老射电等离子体中相对论性电子的光学深度。
• 通过建模其在CMB光谱维恩尾部的特征，评估后发星系团中超热电子群体的可探测性。
• 将预测信号与普朗克卫星的灵敏度进行比较，评估此类群体的边际可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从非相对论到极端相对论区域，CMB被相对论性电子康普顿化的过程如何依赖于电子分布的能谱形状？
• RQ2 相对论性太阳亚夫-泽尔多维奇效应的减小量在多大程度上反映电子数密度而非能量含量？
• RQ3 射电星系释放的能量在热化和相对论性等离子体阶段引起的康普顿化效应预期有多大？
• RQ4 星系团中古老相对论性射电等离子体的存在是否可能对基于SZ效应的哈勃常数估计造成偏差？
• RQ5 后发星系团中的超热电子群体是否可通过高频CMB测量探测到？其在维恩尾部的特征是什么？

主要发现

• 当电子动量超过3 me c时，相对论性太阳亚夫-泽尔多维奇效应的减小量趋于饱和，其测量的是电子数密度而非能量含量，这是由于光学深度受到汤姆孙极限的限制。
• 在高频段，相对论性增量强烈依赖于电子分布的能谱形状，使得未来仪器能够探测相对论性电子群体。
• 射电星系能量释放引起的热康普顿化效应估算出的y参数约为10⁻⁶。
• 古老射电等离子体中相对论性电子的光学深度估算约为10⁻⁷，表明其在星系际介质中虽几乎不可见，但可能具有重要影响。
• 若星系团中相当大体积被此类古老射电等离子体填充，且在基于SZ效应的哈勃常数分析中未被考虑，则会导致哈勃常数估计值系统性偏低。
• 后发星系团中的超热电子群体将在CMB维恩尾部产生一个边际但可能可探测的信号特征，与普朗克卫星的灵敏度及该星系团报告的X射线过量一致。