[论文解读] The Sunyaev-Zel'dovich effect in WMAP data

J. M. Diego, Bruce Partridge|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 78被引用 21

一句话总结

本研究通过将WMAP五年数据在300个X射线选源的星系团周围进行堆叠，以高显著性检测到平均Sunyaev-Zel'dovich（SZE）效应。结果发现，观测到的SZE信号弱于基于X射线数据的典型β-模型预测，表明需要更陡的气体密度分布和点源污染（16–26 mJy）才能调和X射线与SZE测量结果。

ABSTRACT

Using WMAP 5 year data, we look for the average Sunyaev-Zel'dovich effect (SZE) signal from clusters of galaxies by stacking the regions around hundreds of known X-ray clusters. We detect the average SZE at a very high significance level. The average cluster signal is spatially resolved in the W band. This mean signal is compared with the expected signal from the same clusters calculated on the basis of archival ROSAT data. From the comparison we conclude that the observed SZE seems to be less than the expected signal derived from X-ray measurements when a standard beta-model is assumed for the gas distribution. This conclusion is model dependent. Our predictions depend mostly on the assumptions made about the core radius of clusters and the slope of the gas density profile. Models with steeper profiles are able to simultaneously fit both X-ray and WMAP data better than a beta-model. However, the agreement is not perfect and we find that it is still difficult to make the X-ray and SZE results agree. A model assuming point source contamination in SZE clusters renders a better fit to the one-dimensional SZE profiles thus suggesting that contamination from point sources could be contributing to a diminution of the SZE signal. Selecting a model that better fits both X-ray and WMAP data away from the very central region, we estimate the level of contamination and find that on average, the point source contamination is on the level of 16 mJy (at 41 GHz), 26 mJy (at 61 GHz) and 18 mJy (at 94 GHz). These estimated fluxes are marginally consistent with the estimated contamination derived from radio and infrared surveys thus suggesting that the combination of a steeper gas profile and the contribution from point sources allows us to consistently explain the X-ray emission and SZE in galaxy clusters as measured by ROSAT and WMAP.

研究动机与目标

• 利用WMAP五年数据检测一个大样本X射线选源星系团的平均Sunyaev-Zel'dovich（SZE）信号。
• 在假设气体分布采用标准β-模型的前提下，将观测到的SZE信号与基于X射线数据推导出的预测值进行比较。
• 基于X射线光度，调查观测到的SZE信号与预期SZE信号之间的差异。
• 评估非热过程、气体团块化以及点源污染在调和X射线与SZE测量结果中的作用。
• 评估更陡的气体密度分布或未resolved源的污染是否更能解释观测数据。

提出的方法

• 在300个已知X射线星系团中心区域堆叠WMAP五年微波数据，以提高SZE信号的信噪比。
• 利用档案的ROSAT全源巡天（RASS）数据，基于标准β-模型对气体密度分布进行建模，以预测SZE信号。
• 将堆叠后的WMAP SZE信号与基于X射线光度和宇宙距离关系推导出的预测SZE流量进行比较。
• 测试具有更陡气体密度分布（如NFW型）的替代模型，以改善X射线与SZE数据的一致性。
• 通过拟合观测到的SZE剖面并对比射电/红外巡天数据，估算点源污染。
• 推导出在90 GHz处预测SZE流量与0.1–2.4 keV波段观测X射线流量之间的标定关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 当对大样本X射线星系团信号进行堆叠时，是否能在WMAP五年数据中检测到平均Sunyaev-Zel'dovich效应？
• RQ2 观测到的SZE信号与基于X射线数据和标准β-模型气体分布的预测值相比如何？
• RQ3 与标准β-模型相比，更陡的气体密度分布（如NFW型）是否能更好地调和X射线与SZE测量结果？
• RQ4 点源污染在SZE信号观测不足中所起的作用有多大？
• RQ5 在大样本星系团中，X射线流量与SZE流量之间是否存在一致的标定关系？

主要发现

• 在WMAP五年数据中以高显著性检测到星系团的平均SZE信号，尤其在W波段表现明显。
• 当基于X射线数据推导时，观测到的SZE信号显著弱于标准β-模型的预测值，表明存在偏差。
• 采用更陡气体密度分布（如NFW型）的模型比标准β-模型更能拟合X射线和SZE数据。
• 点源污染在41 GHz处贡献约16 mJy，61 GHz处约26 mJy，94 GHz处约18 mJy，与射电和红外巡天结果一致。
• 发现预测SZE流量（90 GHz）与观测X射线流量之间存在紧密标定关系：Flux = 45 × Sₓ⁰.⁹（单位为mJy和10⁻¹² erg/s/cm²）。
• 结合更陡的气体分布和合理的点源污染，可一致解释X射线与SZE观测结果。