[论文解读] Measuring cosmic distances with galaxy clusters

S. W. Allen, Mantz, A. B.+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用 10

一句话总结

本文综述了利用星系团的两种基于X射线的方法测量宇宙距离：X射线气体质量分数（$f_{\text{gas}}$）和X射线/毫米波太阳亚-泽尔多维奇（XSZ）效应联合测量。预计新一代X射线天文台将使$f_{\text{gas}}$测量对暗能量的约束提升6–7倍，提供对$\Omega_{\text{m}}$的模型无关约束，并达到与Ia型超新星和BAO研究相媲美的精度。

ABSTRACT

In addition to cosmological tests based on the mass function and clustering of galaxy clusters, which probe the growth of cosmic structure, nature offers two independent ways of using clusters to measure cosmic distances. The first uses measurements of the X-ray emitting gas mass fraction, which is an approximately standard quantity, independent of mass and redshift, for the most massive clusters. The second uses combined millimeter (mm) and X-ray measurements of cluster pressure profiles. We review these methods, their current status and the prospects for improvements over the next decade. For the first technique, which currently provides comparable dark energy constraints to type Ia supernova studies, improvements of a factor of 6 or more should be readily achievable, together with tight constraints on the mean matter density that are largely independent of the cosmological model assumed. Realizing this potential will require a coordinated, multiwavelength approach, utilizing new cluster surveys, X-ray, optical and mm facilities, and a continued emphasis on improved hydrodynamical simulations.

研究动机与目标

• 评估利用X射线和毫米波数据，星系团作为宇宙学距离指示器的当前与未来潜力。
• 评估$f_{\text{gas}}$方法在不依赖宇宙学模型假设的情况下，约束$\Omega_{\text{m}}$和暗能量的能力。
• 预测下一代X射线天文台（具有更大收集面积和更高能量分辨率）在$f_{\text{gas}}$测量中对暗能量约束的改进。
• 比较$f_{\text{gas}}$和XSZ方法在系统误差控制和宇宙学灵敏度方面的表现。
• 识别未来十年内最大化基于星系团距离测量宇宙学能力的关键观测与模拟需求。

提出的方法

• 利用X射线表面亮度和温度分布，测量大质量、动力学松弛星系团中的X射线气体质量分数（$f_{\text{gas}}$），以推断气体质量和总质量。
• 利用$f_{\text{gas}}$-距离关系$f_{\text{gas}} \propto d^{1.5}$，在假设$\Omega_{\text{b}}$来自CMB或核合成的前提下，从观测到的$f_{\text{gas}}$值推断距离。
• 结合X射线与毫米波（如SPT、ACT）观测，通过太阳亚-泽尔多维奇效应（XSZ）测量星系团的压强分布，从而获得独立的距离估计。
• 应用MCMC方法分析宇宙学约束，引入$\Omega_{\text{b}}h^2$和$h$的先验，并考虑参数退化与系统误差的影响。
• 通过模拟下一代X射线天文台的未来观测，假设等效于10 Ms的钱德拉望远镜观测时间，并采用改进的流体动力学模拟。
• 通过比较当前数据与未来450个星系团（$f_{\text{gas}}$精度达7.5%，可降至5%）的投影数据集，预测宇宙学信息量（FoM）的提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 与Ia型超新星和BAO巡天相比，$f_{\text{gas}}$方法能否提供具有竞争力的暗能量约束？
• RQ2 通过高分辨率X射线谱仪测量气体的整体运动和湍流运动，能在多大程度上减小$f_{\text{gas}}$的固有离散度？
• RQ3 对于具有更大收集面积和更高能量分辨率的下一代X射线天文台，预期在宇宙学约束方面能获得多大程度的改进？
• RQ4 $f_{\text{gas}}$和XSZ方法在系统误差预算和宇宙学灵敏度方面如何比较？
• RQ5 $f_{\text{gas}}$测量能否提供对$\Omega_{\text{m}}$的模型无关约束？

主要发现

• 目前对约40个高温、动力学松弛星系团的$f_{\text{gas}}$测量，其对暗能量的约束与BAO和Ia型超新星研究相当。
• 若将样本扩展至约100个星系团，且在0.8–1.2 $r_{2500}$半径范围内实现15%的精度，可使暗能量信息量（FoM）提升4–6倍。
• 若未来X射线天文台实现7.5%的$f_{\text{gas}}$精度，可使信息量相比当前结果提升6–7倍。
• 在乐观情景下，通过高分辨率X射线谱仪将固有离散度降至5%，可使平坦演化$w$模型的信息量达到22.6。
• $f_{\text{gas}}$方法可对$\Omega_{\text{m}}$提供紧密且与宇宙学模型无关的约束，乐观情况下不确定性可降至约6%。
• 由于星系团压强分布的固有离散度较高，XSZ方法预计仅带来较温和的改进，因此在下一代宇宙学研究中影响力不及$f_{\text{gas}}$方法。