[论文解读] Galaxy Clusters as mirrors of the distant Universe. Implications for the kSZ and ISW effects

C. Hernández–Monteagudo, R. A. Sunyaev|arXiv (Cornell University)|May 19, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文提出利用星系团中因汤姆孙散射引起的CMB非均匀性模糊作为宇宙学探针，以测绘晚期积分萨克斯-沃尔科夫（ISW）效应的增长。通过精确去除kSZ污染，可测量与光学深度和原始CMB非均匀性成正比的模糊项，进而在不同红移的星系团中实现ISW演化的层析重建，所需特殊速度精度为100–200 km s⁻¹。

ABSTRACT

It is well known that Thomson scattering of CMB photons in galaxy clusters introduces new anisotropies in the CMB radiation field, but however little attention is payed to the fraction of CMB photons that are scattered off the line of sight, causing a slight blurring of the CMB anisotropies present at the moment of scattering. In this work we study this {\it blurring} effect, and find that it has a non-negligible impact on estimations of the kinetic Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) effect: it induces a 10% correction in 20-40% of the clusters/groups, and a 100% correction in $\sim 5$% of the clusters in an ideal (noiseless) experiment. We explore the possibility of using this blurring term to probe the CMB anisotropy field at different epochs in our Universe. In particular, we study the required precision in the removal of the kSZ that enables detecting the blurring term $-τ_T δT / T_0$ in galaxy cluster populations placed at different redshift shells. By mapping this term in those shells, we would provide a tomographic probe for the growth of the Integrated Sachs Wolfe effect (ISW) during the late evolutionary stages of the Universe. We find that the required precision of the cluster peculiar velocity removal is of the order of 100 -- 200 km s$^{-1}$ in the redshift range 0.2 -- 0.8, after assuming that all clusters more massive than 10$^{14}$ h$^{-1}$ M$_{\odot}$ are observable. These errors are comparable to the total expected linear line of sight velocity dispersion for clusters in WMAPV cosmogony, and correspond to a residual level of roughly 900 -- 1800 $τ_T μ$K per cluster, including all types of contaminants and systematics. Were this precision requirement achieved, then independent constraints on the intrinsic cosmological dipole would be simultaneously provided.

研究动机与目标

• 研究星系团中汤姆孙散射引起的模糊项在宇宙学上的意义，该效应因视线方向外的散射而使CMB非均匀性发生弥散。
• 评估此模糊效应对高精度CMB实验中精确测量动力学松林茨-泽尔多维奇（kSZ）效应的影响。
• 探索利用模糊项作为不同宇宙时代CMB非均匀性场的直接探针的可行性，特别是追踪ISW效应的增长。
• 确定为隔离模糊信号并实现ISW层析成像，所需的速度重构精度。
• 证明若达到该精度，将能独立约束本征宇宙学偶极，且与本地速度流无关。

提出的方法

• 将模糊效应建模为CMB温度非均匀性方程中的修正项：ΔT/T₀ = −τ_T ∑ₗ aₗ Pₗ(μ)，其中τ_T为汤姆孙光学深度，aₗ为多极系数。
• 通过考虑星系团特殊速度引起的多普勒频移，将模糊项与kSZ效应分离，需精确重构v·n̂/c。
• 该方法假设质量大于10¹⁴ h⁻¹ M⊙的星系团可被观测，且其τ_T可通过X射线或tSZ观测获知。
• 通过从星系团位置的CMB图中去除kSZ、tSZ和点源残差，提取模糊信号，假设系统误差已最小化。
• 采用统计方法，扫描天空中的区域，检测不同红移壳层（z = 0.2–0.8）中星系团集合的模糊信号。
• 所需速度精度由残差误差不得掩盖模糊信号的条件推导得出，该信号与τ_T μK成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 汤姆孙散射模糊项在星系团中对kSZ测量的偏差程度如何？
• RQ2 在足够速度精度下，能否在不同红移的星系团CMB观测中分离出模糊项？
• RQ3 检测模糊信号并实现ISW效应层析成像，需要多高的特殊速度精度？
• RQ4 模糊信号与晚期CMB非均匀性增长（特别是ISW效应）有何关联？
• RQ5 模糊信号能否提供独立于本地速度流的本征宇宙学偶极约束？

主要发现

• 在理想无噪声实验中，模糊项在20–40%的星系团中引起10%的修正，而在约5%的星系团中修正高达100%，显著影响kSZ估计。
• 为检测模糊信号并映射ISW增长，需在红移范围z = 0.2–0.8内实现100–200 km s⁻¹的速度重构精度。
• 这些速度误差对应每星系团900–1800 τ_T μK的残差水平，包含所有污染源和系统误差。
• 模糊信号与散射时刻的原始CMB非均匀性成正比，因此可作为该时刻CMB场的镜像。
• 在不同红移壳层的星系团中测量模糊项，可实现ISW效应在晚期宇宙加速期间演化的层析重建。
• 达到所需精度的同时，将能独立约束本征宇宙学偶极，且与本地偶极测量相区分。