[论文解读] The radio SZ effect as a probe of the cosmological radio background

G. P. Holder, Jens Chluba|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用 4

一句话总结

本文提出，宇宙射电背景会在星系团中引发一种独特的射电太阳亚诺维奇（SZ）效应，在约735 MHz处产生光谱深谷，此时射电背景的康普顿化效应与传统CMB SZ减退相互抵消。对于典型星系团，该射电SZ信号在深谷附近可达约1 mK，为探测射电背景的宇宙起源、红移演化及各向同性提供可观测手段，有望克服运动学SZ测量中的光谱退化问题。

ABSTRACT

If there is a substantial cosmological radio background, there should be a radio Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect that goes along with it. The radio background Comptonization leads to a slight photon excess at all wavelengths, while Comptonization of the CMB at low frequencies leads to a decrement. For levels of the radio background consistent with observations, these effects cancel each other around $ν\simeq 735~$MHz, with an excess at lower frequencies and a decrement at higher frequencies. Assuming a purely cosmological origin of the observed ARCADE radio excess, at $ν\lesssim 20\,{ m GHz}$ the signal scales as $ΔT / T_{ m CMB}\simeq 2\,y\left[ (ν/735\,{ m MHz})^{-2.59}-1 ight]$ with frequency and the Compton-$y$ parameter of the cluster. For a typical cluster, the total radio SZ signal is at the level of $ΔT\simeq 1\,{ m mK}$ around the null, with a steep scaling towards radio frequencies. This is above current raw sensitivity limits for many radio facilities at these wavelengths, providing a unique way to confirm the cosmological origin of the ARCADE excess and probe its properties (e.g., redshift dependence and isotropy). We also give an expression to compute the radio-analogue of the kinematic SZ effect, highlighting that this might provide a new tool to probe large-scale velocity fields and the cosmic evolution of the radio background.

研究动机与目标

• 探究宇宙射电背景是否会在星系团中诱导可测量的射电SZ效应。
• 确定该效应的频率依赖光谱特征，并识别其深谷频率。
• 评估当前射电设备对射电SZ信号的可探测性。
• 探讨射电SZ效应作为探测射电背景红移依赖性与各向同性的潜力。
• 推导大尺度速度场研究用的射电版运动学SZ效应。

提出的方法

• 应用Kompaneets方程，模拟星系团中热电子对射电背景的康普顿化过程。
• 以康普顿y参数作为关键可观测量，跨频率缩放射电SZ信号。
• 推导光谱响应为 ΔT/T_CMB ≈ 2y[(ν/735 MHz)^{-2.59} - 1]，其中幂律指数来自ARCADE测量。
• 计算射电背景康普顿化与CMB SZ减退相互抵消的频率，得出深谷位于 ν ≈ 735 MHz。
• 拓展形式化方法，推导用于探测大尺度速度场的射电版运动学SZ效应。
• 提出星系团堆叠与红移依赖映射作为探测射电背景演化的观测策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙射电背景在星系团中诱导的射电SZ效应具有何种光谱特征？
• RQ2 射电SZ效应在何种频率下因与标准CMB SZ效应相互抵消而消失？
• RQ3 考虑到其预测幅度约为1 mK，当前射电仪器能否探测到射电SZ信号？
• RQ4 如何利用射电SZ效应约束宇宙射电背景的红移演化？
• RQ5 射电版运动学SZ效应在探测大尺度速度场方面具有何种潜力，且可避免CMB原始涨落的污染？

主要发现

• 射电SZ效应在约735 MHz处产生光谱深谷，此时射电背景的康普顿化与传统CMB SZ减退相互抵消。
• 对于典型星系团，射电SZ信号在深谷附近可达约1 mK，且向低频方向急剧增强。
• 信号幅度与康普顿y参数及射电背景的幂律指数成正比，表达式为 ΔT/T_CMB ≈ 2y[(ν/735 MHz)^{-2.59} - 1]。
• 当前射电设备可在低频段探测到射电SZ效应，为宇宙射电背景ARCADE射电过量的宇宙起源提供直接探测手段。
• 射电版运动学SZ效应提供了对大尺度速度场的非退化探测，避免了原始CMB涨落的污染。
• 射电SZ信号与标准y图在空间上具有相关性，可与CMB及21cm巡天联合建模，实现前景抑制与背景探测。