[论文解读] The effect of massive neutrinos on the SZ and X-ray observables of galaxy clusters

M. Roncarelli, C. Carbone+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究利用六组不同总中微子质量（Σmν = 0, 0.17, 0.34 eV）的大规模宇宙学模拟，探究了大质量中微子对星系团中Sunyaev-Zel'dovich（SZ）和X射线观测量的影响。结果表明，Σmν = 0.34 eV模型使SPT和eROSITA巡天中预期的星系团探测数量减少40%，且中微子质量、σ8与Ωm之间存在强烈退化关系；同时，y参数和SZ功率谱的归一化与中微子分数fν强相关。

ABSTRACT

Massive neutrinos are expected to influence the formation of the large-scale structure of the Universe, depending on the value of their total mass, Σ mν. In particular Planck data indicate that a non-zero value of Σ mν may help to reconcile CMB data with Sunyaev-Zel’dovich (SZ) cluster surveys. In order to study the impact of neutrin os on the SZ and X-ray cluster properties, we run a set of six very large cosmological simulations (8 h −3 Gpc 3 comoving volume) that, besides cold dark matter, include the presence of a massive neutrino particle component: we consider the values of Σ mν = (0, 0.17, 0.34) eV in two different cosmological scenarios to test possible degeneracies. Using the halo cat alogues extracted from their outputs, we produce 50 mock light-cones and, assuming suitable scaling relations, we determine the influence of massive neutrinos on both SZ and X-ray cluster co unts and other SZ properties such as the y-parameter and its power spectrum. We provide forecasts for the forthcoming SPT and eROSITAcluster surveys, showing that the number of expected detections is reduced by 40 per cent when assuming Σ mν=0.34 eV with respect to a model without neutrinos. However the degeneracy with σ8 and Ωm is strong, in particular for X-ray data, requiring the use of additional probes to break it. The y-parameter properties are also highly influenced by the neutrino mass fraction, fν, with hyi ∝ (1− fν) 20 , considering the cluster component only. We also find that the normalisation of the SZ power spectrum is pr oportional to (1− fν) 25−30 . Our findings can be compared with SPT and ACT measurements at l = 3000 indicating that, when Planck cosmological parameters are assumed, a value of Σ mν between 0.17 eV and 0.34 eV is required to fit the data.

研究动机与目标

• 评估大质量中微子对大尺度结构形成中SZ和X射线星系团观测量的影响。
• 检验非零中微子质量是否能如普朗克结果所建议的那样，调和CMB数据与SZ星系团巡天之间的差异。
• 在不同中微子质量情景下，预测未来SPT和eROSITA巡天中星系团的可探测性。
• 量化X射线和SZ数据中中微子质量、σ8与Ωm之间的退化关系。
• 建立y参数和SZ功率谱与中微子质量分数fν之间标度关系的模型。

提出的方法

• 运行六组大尺度宇宙学模拟（8 h−3 Gpc³共动体积），包含冷暗物质和总中微子质量为Σmν = 0, 0.17, 0.34 eV的中微子。
• 从模拟输出中提取晕族目录，生成50个模拟光锥以实现真实巡天模拟。
• 应用经验标度关系预测SZ和X射线星系团特性，包括y参数和星系团计数。
• 计算y参数的功率谱，并分析其对中微子质量分数fν的依赖性。
• 在普朗克宇宙学参数下，将模型预测与SPT和ACT在l = 3000处的测量结果进行比较。
• 利用X射线和SZ数据评估中微子质量、σ8与Ωm之间的退化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 非零总中微子质量如何影响SPT和eROSITA巡天中可探测星系团的预期数量？
• RQ2 在以星系团为主导的区域，y参数及其功率谱在多大程度上随中微子质量分数fν变化？
• RQ3 大质量中微子能否解决CMB与SZ星系团巡天数据之间的差异？
• RQ4 X射线和SZ星系团观测量中，中微子质量、σ8与Ωm之间的退化关系有多强？
• RQ5 在假设普朗克宇宙学参数的前提下，SPT和ACT在l = 3000处的SZ功率谱测量结果最适合的中微子质量范围是多少？

主要发现

• 与无质量中微子模型相比，总中微子质量Σmν = 0.34 eV使SPT和eROSITA巡天中预期的星系团探测数量减少40%。
• 仅考虑星系团组分时，y参数的归一化近似按(1−fν)²⁰变化。
• SZ功率谱归一化的变化趋势为(1−fν)²⁵⁻³⁰，表明其对中微子质量分数具有强烈依赖性。
• 中微子质量、σ8与Ωm之间的退化关系较强，尤其在X射线数据中更为显著，因此需要额外的探测手段来打破这种退化。
• 在假设普朗克宇宙学参数的前提下，SPT和ACT在l = 3000处的测量结果最符合中微子质量范围为0.17–0.34 eV。