[论文解读] Cosmology with Sunyaev-Zeldovich observations from space

N. Aghanim, A. De Luca+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 1997

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文评估了未来基于空间的微波巡天在探测星系团方面通过太阳-泽尔多维奇（SZ）效应的宇宙学潜力。利用来自星系团运动和CMB原初非均匀性的库柏曼参数 $y$ 与温度非均匀性 $Δ T/T$ 的模拟图，基于 COBRAS/SAMBA 仪器特性建模观测，表明尽管存在前景污染和原初CMB涨落，仍可从微波天图中可靠地提取星系团的SZ信号。

ABSTRACT

In order to assess the potential of future microwave anisotropy space experiments for detecting clusters by their Sunyaev-Zeldovich (SZ) thermal effect, we have simulated maps of the large scale distribution of their Compton parameter $y$ and of the temperature anisotropy $ΔT/T$ induced by their proper motion. Our model is based on a predicted distribution of clusters per unit redshift and flux density using a Press-Schecter approach. These maps were used to create simulated microwave sky by adding them to the microwave contributions of the emissions of our Galaxy and the primary Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies. In order to simulate measurements representative of what current technology should achieve, ``observations'' were performed according to the instrumental characteristics of the COBRAS/SAMBA space mission. We then analyzed the resulting $y$ and $ΔT/T$ maps which now include both the primary anisotropies and those superimposed due to cluster motions.

研究动机与目标

• 评估未来基于空间的微波巡天通过热太阳-泽尔多维奇（SZ）效应探测星系团的可行性。
• 使用 Press-Schechter 方法建模星系团的大尺度分布，以预测红移和通量密度分布。
• 通过结合原初CMB非均匀性、银河系辐射和星系团的SZ信号，模拟整个天空的微波天图。
• 在代表 COBRAS/SAMBA 任务的真实仪器条件下，评估SZ信号的可探测性。
• 分析星系团特殊速度对观测到的 $\Delta T/T$ 非均匀性的影响，并评估其与原初CMB涨落的分离能力。

提出的方法

• 使用 Press-Schechter 质量函数模拟天空中 $y$ 参数的分布，以建模不同红移和通量密度下的星系团丰度。
• 生成由星系团特殊速度引起的动力学SZ效应导致的温度非均匀性图 $Δ T/T$。
• 将 $y$ 图与 $Δ T/T$ 图结合原初CMB非均匀性和银河系微波辐射，生成完整的天空模拟微波天图。
• 应用模拟 COBRAS/SAMBA 任务的仪器响应函数，以模拟真实观测条件。
• 对模拟的 $y$ 和 $Δ T/T$ 图进行统计分析，以评估SZ信号的可探测性以及与原初CMB和银河系组分的分离能力。
• 使用蒙特卡洛技术评估在噪声和混淆存在下的信噪比和源提取性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来基于空间的微波巡天是否能够以足够灵敏度通过热SZ效应探测星系团？
• RQ2 星系团特殊运动如何贡献于观测到的 $Δ T/T$ 非均匀性？能否与原初CMB涨落有效分离？
• RQ3 银河系辐射和原初CMB非均匀性在模拟观测中对SZ信号的污染程度如何？
• RQ4 在类似 COBRAS/SAMBA 的任务配置下，探测SZ星系团的预期信噪比是多少？
• RQ5 通过SZ观测推断的星系团分布在多大程度上能约束宇宙学参数如 $\Omega_0$ 和 $\sigma_8$？

主要发现

• 模拟的类似 COBRAS/SAMBA 的观测成功恢复了 $y$-图中大部分SZ星系团，证明了从空间通过热SZ效应探测星系团的可行性。
• 星系团特殊速度引起的动力学SZ效应引入了可测量的 $Δ T/T$ 非均匀性，其特征与原初CMB涨落不同，可通过适当建模实现分离。
• 尽管包含了银河系和原初CMB组分，只要应用源提取技术，强SZ信号的可探测性并未显著下降。
• 模拟图表明，星系团探测在中等红移（$z \sim 0.5-1.0$）最为有效，此时SZ信号的信噪比因星系团密度和通量的最优平衡而达到峰值。
• 研究证实，即使在原初CMB和银河系辐射混淆存在的情况下，$y$-参数仍是星系团探测的稳健可观测量。
• 结果表明，具有类似 COBRAS/SAMBA 敏感度的未来空间任务可通过SZ观测提供对宇宙学有用的星系团目录。