[论文解读] Planck intermediate results. XXXVII. Evidence of unbound gas from the kinetic Sunyaev-Zeldovich effect

Planck Collaboration, P. A. R. Ade+190 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 53被引用 68

一句话总结

该论文基于普朗克卫星的运动学萨尼娅夫-泽尔多维奇（kSZ）效应提供了证据，表明非束缚气体延伸至星系团的virial半径之外，并与大尺度物质流动共同运动。通过将重建的特殊速度与kSZ温度各向异性进行交叉相关分析，研究发现有效汤姆孙光学厚度为 $\tau_{\rm T} = (1.39 \pm 0.46) \times 10^{-4}$，显著高于仅由束缚气体预期的值，表明在约1 Mpc尺度上存在大量非束缚、非热动平衡气体的贡献。

ABSTRACT

By looking at the kinetic Sunyaev-Zeldovich effect (kSZ) in Planck nominal mission data, we present a significant detection of baryons participating in large-scale bulk flows around central galaxies (CGs) at redshift $z\approx 0.1$. We estimate the pairwise momentum of the kSZ temperature fluctuations at the positions of the CGC (Central Galaxy Catalogue) samples extracted from Sloan Digital Sky Survey (DR7) data. For the foreground-cleaned maps, we find $1.8$-$2.5σ$ detections of the kSZ signal, which are consistent with the kSZ evidence found in individual Planck raw frequency maps, although lower than found in the WMAP-9yr W band ($3.3σ$). We further reconstruct the peculiar velocity field from the CG density field, and compute for the first time the cross-correlation function between kSZ temperature fluctuations and estimates of CG radial peculiar velocities. This correlation function yields a $3.0$-$3.7$$σ$ detection of the peculiar motion of extended gas on Mpc scales, in flows correlated up to distances of 80-100 $h^{-1}$ Mpc. Both the pairwise momentum estimates and kSZ temperature-velocity field correlation find evidence for kSZ signatures out to apertures of 8 arcmin and beyond, corresponding to a physical radius of $> 1$ Mpc, more than twice the mean virial radius of halos. This is consistent with the predictions from hydro simulations that most of the baryons are outside the virialized halos. We fit a simple model, in which the temperature-velocity cross-correlation is proportional to the signal seen in a semi-analytic model built upon N-body simulations, and interpret the proportionality constant as an "effective" optical depth to Thomson scattering. We find $τ_T=(1.4\pm0.5) imes 10^{-4}$; the simplest interpretation of this measurement is that much of the gas is in a diffuse phase, which contributes little signal to X-ray or thermal SZ observations.

研究动机与目标

• 检测并表征宇宙网中非束缚星际气体的运动学萨尼娅夫-泽尔多维奇（kSZ）效应。
• 确定观测到的kSZ信号是否源自星系团内束缚区域的气体，还是来自星系晕外的扩展非束缚气体。
• 通过测量其与大尺度特殊速度场的相关性，量化非热动平衡气体对kSZ信号的贡献。
• 评估kSZ信号的有效汤姆孙光学厚度，并与仅由束缚星系团气体预期的值进行比较。

提出的方法

• 将普朗克卫星的kSZ温度各向异性与基于星系团星表重建的三维特殊速度场进行交叉相关分析。
• 使用固定8角分半径（对应红移 z ≈ 0.12 时约1 Mpc）的孔径测光法，测量在不同尺度上的kSZ成对动量。
• 计算kSZ温度与视线方向特殊速度之间的角相关函数 $w^{\rm T,v_{\rm los}^{\rm rec}}(r)$，以探测一致的运动信号。
• 通过将基于模型的速度-速度相关函数缩放至匹配观测到的kSZ-速度交叉相关函数，估算有效光学厚度 $\tau_{\rm T}$。
• 分析多个经过前景清洁处理的普朗克地图（如SEVEM）以确保结果在不同数据处理流程中的一致性。
• 将观测到的kSZ信号行为与模拟星系团模型进行比较，以区分束缚气体与非束缚气体的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的kSZ信号是否与星系团束缚区域气体的辐射一致？
• RQ2 kSZ信号在超过virial半径后，随着光圈尺寸增大是否保持不变或减小？
• RQ3 kSZ信号的有效汤姆孙光学厚度是多少？与仅由束缚气体预期的值相比如何？
• RQ4 在多大程度上，kSZ信号由随大尺度物质流动共同运动的非束缚、非热动平衡气体驱动？

主要发现

• kSZ成对动量在12角分光圈内保持近似恒定，表明该信号并未局限于束缚星系团区域。
• 在8角分光圈下，测得的kSZ-速度交叉相关性达到3.0σ显著性，证实数据中存在一致的运动信号。
• 有效汤姆孙光学厚度测定为 $\tau_{\rm T} = (1.39 \pm 0.46) \times 10^{-4}$（SEVEM地图），在其他前景清洁地图中结果一致。
• 该值约为仅由束缚气体预期值的三倍，表明非束缚、扩展气体贡献占主导地位。
• 该信号与以束缚气体为主导的模型不一致，因为此类模型预测kSZ振幅随光圈尺寸增大而减小。
• 结果支持kSZ信号主要源自virial半径之外、随大尺度物质流动共同运动的气体。