[论文解读] Measurements of Secondary Cosmic Microwave Background Anisotropies with the South Pole Telescope

M. Lueker, Reichardt, C. L.+41 more|Dec 22, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文利用南极望远镜测量了次级宇宙微波背景（CMB）各向异性，重点研究了热性和非热性太阳亚诺夫-泽尔多维奇效应（tSZ 和 kSZ）。在 𝓁=3000 处测得的 tSZ 功率低于预期（4.2±1.5 μK²），由此对物质功率谱归一化参数 𝜎₈ 的约束为 0.773±0.025，若理论不确定性降低，精度还可进一步提升。

ABSTRACT

We report cosmic microwave background (CMB) power spectrum measurements from the first 100 sq. deg. field observed by the South Pole Telescope (SPT) at 150 and 220 GHz. On angular scales where the primary CMB anisotropy is dominant, ell ~< 3000, the SPT power spectrum is consistent with the standard LambdaCDM cosmology. On smaller scales, we see strong evidence for a point source contribution, consistent with a population of dusty, star-forming galaxies. After we mask bright point sources, anisotropy power on angular scales of 3000 < ell < 9500 is detected with a signal-to-noise > 50 at both frequencies. We combine the 150 and 220 GHz data to remove the majority of the point source power, and use the point source subtracted spectrum to detect Sunyaev-Zel'dovich (SZ) power at 2.6 sigma. At ell=3000, the SZ power in the subtracted bandpowers is 4.2 +/- 1.5 uK^2, which is significantly lower than the power predicted by a fiducial model using WMAP5 cosmological parameters. This discrepancy may suggest that contemporary galaxy cluster models overestimate the thermal pressure of intracluster gas. Alternatively, this result can be interpreted as evidence for lower values of sigma8. When combined with an estimate of the kinetic SZ contribution, the measured SZ amplitude shifts sigma8 from the primary CMB anisotropy derived constraint of 0.794 +/- 0.028 down to 0.773 +/- 0.025. The uncertainty in the constraint on sigma8 from this analysis is dominated by uncertainties in the theoretical modeling required to predict the amplitude of the SZ power spectrum for a given set of cosmological parameters.

研究动机与目标

• 利用南极望远镜测量热性和非热性太阳亚诺夫-泽尔多维奇效应产生的次级 CMB 各向异性。
• 基于 WMAP5 宇宙学参数，约束 tSZ 功率谱的幅度，并与理论预测进行比较。
• 通过结合 SPT 数据与大尺度 CMB 测量结果，改进对物质功率谱归一化参数 𝜎₈ 的约束。
• 通过考虑 SZ 功率谱幅度和形状的理论不确定性，降低 𝜎₈ 约束的不确定性。
• 为未来利用完整 SPT 巡天数据进行高灵敏度 kSZ 和强引力透镜测量奠定基础。

提出的方法

• 南极望远镜在 150 和 220 GHz 频率下对 100 deg² 天区进行观测，以测量次级 CMB 各向异性。
• 分析中减除了尘埃星系形成源（DSFGs）的贡献，以分离出 tSZ 和 kSZ 功率谱。
• 在 ℓ=3000 处测量 tSZ 功率谱，假设无 kSZ 贡献，测得结果为 4.2±1.5 μK²。
• 联合分析将 SPT 的 tSZ 功率谱与大尺度角度的 CMB 数据结合，以约束 𝜎₈。
• 对 SZ 功率谱幅度和形状的理论不确定性采用保守先验，以提升 𝜎₈ 约束精度。
• 该方法利用 SPT 的高灵敏度和多频段能力，在未来数据中实现 kSZ 与 DSFG 及 tSZ 信号的分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ℓ=3000 处，热性太阳亚诺夫-泽尔多维奇效应（tSZ）功率谱的测量幅度是多少？
• RQ2 基于 WMAP5 宇宙学参数的理论预测，测得的 tSZ 功率与之相比如何？
• RQ3 通过结合 SPT 与 CMB 数据，对物质功率谱归一化参数 𝜎₈ 的约束程度如何？
• RQ4 SZ 功率谱的理论不确定性在多大程度上影响 𝜎₈ 约束的精度？
• RQ5 完整 SPT 的巡天数据将为 kSZ 效应和再电离历史的未来约束提供哪些可能性？

主要发现

• 在 ℓ=3000 处测得的 tSZ 功率谱幅度为 4.2±1.5 μK²，显著低于基于 WMAP5 参数的典型模型预测值 8.5 μK²。
• SPT 与 CMB 数据的联合分析得出 𝜎₈=0.773±0.025，相比先前约束不确定性降低了 1.5%。
• 若忽略 SZ 功率谱的理论不确定性，约束可收紧至 𝜎₈=0.746±0.017，表明可能与标准模型存在张力。
• 在所有考虑的模型中，包括再电离时期更短或星系团反馈更强的模型，预测与实测 tSZ 幅度之间的张力依然存在。
• 完整的 SPT 巡天预计覆盖超过 2000 deg²，频率为 95、150 和 220 GHz，将实现对 tSZ 功率谱的 >10σ 检测，并能将 kSZ 与 DSFG 及 tSZ 贡献分离。
• 完整数据集还将实现对 CMB 强引力透镜的直接探测，建立包含数百个 SZ 选源的星表，并对这些频率下已解析与未解析源群体开展迄今最广泛的研究。