[论文解读] Helium abundance in galaxy clusters and Sunyaev-Zeldovich effect

Maxim Markevitch|arXiv (Cornell University)|May 23, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文提出利用太阳-泽尔多维奇（SZ）与X射线星系团距离法测量星系团中氦的丰度，利用SZ–X射线推导的距离对假设氦丰度的依赖性。当与独立的距离估测器（如WMAP的H₀）结合时，该方法在星系团核心区域测得氦丰度超出原始值1.9±0.8倍，为约束星系团内介质中氦沉降提供了切实可行的路径。

ABSTRACT

It has long been suggested that helium nuclei in the intracluster plasma can sediment in the cluster gravitational potential well. Some theoretical estimates for the cores of relaxed clusters predict an excess of helium abundance by up to a factor of a few over its primordial value. The intracluster helium abundance cannot be measured directly. This presents a significant source of uncertainty for cosmological tests based on the X-ray derived cluster quantities, such as the gas mass, total mass, and gas mass fraction, all of which depend on the assumed helium abundance. We point out that cluster distances derived by combining the Sunyaev-Zeldovich (SZ) and X-ray data also depend on the helium abundance. This dependence can be used to measure the abundance, provided the distance is known independently. For example, if one adopts the WMAP H_0 value, then the recent H_0 measurement by Bonamente and collaborators, derived from SZ data on 38 clusters assuming a primordial helium abundance, corresponds to an abundance excess by a factor of 1.9+-0.8 within r~1 Mpc (using only their statistical errors). This shows that interesting accuracy is within reach. We also briefly discuss how the SZ and X-ray cluster data can be combined to resolve the helium abundance dependence for the d_a(z) cosmological test.

研究动机与目标

• 为解决星系团内介质（ICM）中氦丰度的不确定性，该不确定性影响基于X射线的星系团物理量（如气体质量与总质量）的推算。
• 证明SZ–X射线距离测量中对氦丰度的依赖性可被反向利用，以约束ICM中的氦丰度。
• 提供一种实际可行、可观测的星系团核心区域氦丰度测量方法，该区域可能显著受沉降效应影响。
• 通过消除氦丰度的退化问题，减少基于星系团的宇宙学检验（如气体质量分数与$ d_a(z) $检验）中的系统误差。

提出的方法

• 利用SZ–X射线方法推导星系团距离，该距离依赖于假设的氦丰度，通过电子密度与热压力实现。
• 将SZ–X射线距离与独立的距离估测器（如WMAP的H₀）结合，反向推导以约束氦丰度。
• 将该方法应用于38个星系团的现有SZ–X射线数据（Bonamente et al. 2006），假设为原始氦丰度，推导出相应的丰度过剩。
• 利用标度关系$ d_a \propto f_{\rm gas}^{2/3} $与$ d_a^{\rm SZ-X} \propto x^{-1/2} $，建模氦丰度对宇宙学距离估计的影响。
• 通过在一组宁静星系团样本中拟合系统性变化，考虑氦丰度可能的红移演化。
• 假设球面对称与平滑的ICM，以避免SZ–X射线距离推导中的偏差，仅选择宁静星系团以最小化非对称性影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在间接依赖性，是否可利用SZ–X射线距离法约束星系团内介质中的氦丰度？
• RQ2 若将SZ–X射线距离与独立的H₀测量结合，星系团核心区域的氦丰度过剩程度如何？
• RQ3 氦沉降如何影响基于X射线与SZ的星系团宇宙学方法的可靠性，是否可进行修正？
• RQ4 通过结合SZ–X射线与气体质量分数方法，能否使$ d_a(z) $宇宙学检验对氦丰度不确定性具有鲁棒性？

主要发现

• 结合WMAP的H₀与38个星系团的SZ–X射线距离，仅基于统计误差，在r ∼ 1 Mpc范围内推导出氦丰度超出原始值1.9±0.8倍。
• 该方法为测量星系团核心区域的氦丰度提供了可行且可观测的途径，而该区域预期是沉降效应最显著的区域。
• SZ–X射线距离法中对氦丰度的依赖性引入了可观测的退化，可通过独立距离测量打破该退化。
• 该方法不依赖于流体静力平衡假设，与基于强引力透镜的质量比较相比更具鲁棒性，适用于当前数据。
• 该方法可扩展用于建模氦丰度的红移演化，从而实现更精确的$ d_a(z) $检验与星系团质量函数研究。
• 该方法对ICM的热结构敏感，需精确的温度映射与球面对称性，但可通过选择宁静星系团加以缓解。