[论文解读] The Kinetic Sunyaev-Zel'dovich Effect from Patchy Reionization: the View from the Simulations

Ilian T. Iliev, Ue‐Li Pen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用 10

一句话总结

本文首次基于大规模辐射转移模拟计算了不均匀再电离过程中的动力学松德斯查夫-泽尔多维奇（kSZ）效应，发现kSZ各向异性在ℓ = 2000–8000处达到峰值，最大功率约为~4–7 × 10⁻¹³，对应典型的电离泡尺寸为5–20 Mpc。该信号在ℓ > 3000时主导了原初CMB各向异性，且对电离源效率和大尺度速度流敏感。

ABSTRACT

We present the first calculation of the kinetic Sunyaev-Zel'dovich (kSZ) effect due to the inhomogeneus reionization of the universe based on detailed large-scale radiative transfer simulations of reionization. The resulting sky power spectra peak at l=2000-8000 with maximum values of l(l+1)C_l/(2pi)_{max}~4-7x10^{-13}. The scale roughly corresponds to the typical ionized bubble sizes observed in our simulations, of ~5-20 Mpc. The kSZ anisotropy signal from reionization dominates the primary CMB signal above l=3000. At large scales the patchy kSZ signal depends only on the source efficiencies. It is higher when sources are more efficient at producing ionizing photons, since such sources produce larger ionized regions, on average, than less efficient sources. The introduction of sub-grid gas clumping in the radiative transfer simulations produce significantly more power at small scales, but has little effect at large scales. The patchy reionization kSZ signal is dominated by the post-reionization signal from fully-ionized gas, but the two contributions are of similar order at scales l~3000-10^4, indicating that the kSZ anisotropies from reionization are an important component of the total kSZ signal at these scales.

研究动机与目标

• 使用详细的大型尺度辐射转移模拟，计算不均匀再电离过程中的动力学松德斯查夫-泽尔多维奇（kSZ）效应。
• 确定由不均匀再电离引起的kSZ各向异性角功率谱，并与解析模型进行比较。
• 评估再电离时期kSZ涨落与再电离后完全电离气体产生的kSZ效应的相对贡献。
• 评估小尺度气体团块化和模拟动态范围对kSZ功率谱的影响。

提出的方法

• 采用大规模辐射转移模拟来建模电离泡及其速度场在空间和时间上的演化。
• 通过电离介质中电子密度与整体速度涨落的交叉相关性计算kSZ功率谱。
• 模拟采用(100 h⁻¹ Mpc)³的盒子尺寸，以充分采样5–20 Mpc量级的电离泡尺寸，并包含大尺度速度模态。
• 引入了亚网格气体团块化效应，以评估其对小尺度kSZ功率的影响。
• 将结果与半解析模型及以往的小盒子模拟进行比较，以验证模拟的动态范围和精度。
• 将kSZ信号分解为来自不均匀再电离和再电离后完全电离气体的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于大规模模拟，不均匀再电离过程中的动力学松德斯查夫-泽尔多维奇效应的角功率谱是什么？
• RQ2 再电离时期的kSZ信号在幅度和尺度上与原初CMB各向异性相比如何？
• RQ3 再电离期间的kSZ效应与再电离后完全电离气体产生的kSZ效应的相对贡献是多少？
• RQ4 亚网格气体团块化和模拟体积如何影响小尺度kSZ功率谱？
• RQ5 与假设电离泡尺寸固定或演化变化的半解析模型相比，本研究结果如何？

主要发现

• kSZ功率谱在多极数ℓ = 2000–8000处达到峰值，最大值为[ℓ(ℓ+1)Cℓ/(2π)]_max ≈ 4–7 × 10⁻¹³。
• kSZ峰值的特征尺度对应于模拟中观测到的典型电离泡尺寸5–20 Mpc。
• 再电离阶段产生的kSZ各向异性信号在ℓ > 3000时主导原初CMB各向异性。
• 大尺度kSZ信号主要取决于电离源效率，效率越高，电离区域越大，kSZ功率越强。
• 亚网格气体团块化显著增强小尺度kSZ功率，但在大尺度上影响甚微。
• 在ℓ ≈ 3000–10⁴尺度上，再电离阶段的kSZ信号与再电离后完全电离气体产生的kSZ信号幅度相近，表明二者在这些多极数上具有同等重要性。