Efecto Sunyaev-Zeldovich - Sunyaev–Zeldovich effect

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Cosmología física
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El efecto Sunyaev-Zeldovich (llamado así por Rashid Sunyaev y Yakov B. Zeldovich y a menudo abreviado como efecto SZ ) es la distorsión espectral del fondo cósmico de microondas (CMB) a través de la dispersión inversa de Compton por electrones de alta energía en cúmulos de galaxias, en la que los fotones CMB de baja energía reciben un impulso de energía promedio durante la colisión con los electrones del cúmulo de alta energía. Las distorsiones observadas del espectro de fondo de microondas cósmico se utilizan para detectar la alteración de la densidad en el universo. Utilizando el efecto Sunyaev-Zeldovich, se han observado densos cúmulos de galaxias .

Visión general

El efecto Sunyaev-Zeldovich fue predicho por Rashid Sunyaev y Yakov Zeldovich para describir anisotropías en el CMB. El efecto es causado por la interacción del CMB con electrones de alta energía. Estos electrones de alta energía provocan la dispersión inversa de Compton de los fotones del CMB, lo que provoca una distorsión en el espectro de radiación del CMB. El efecto Sunyaev-Zeldovich es más evidente cuando se observan cúmulos galácticos. El análisis de los datos de CMB a mayor resolución angular ( valores altos ) requiere tener en cuenta el efecto Sunyaev-Zeldovich.

El efecto Sunyaev-Zeldovich se puede dividir en diferentes tipos:

  • Efectos térmicos , donde los fotones CMB interactúan con electrones que tienen altas energías debido a su temperatura.
  • Efectos cinemáticos , un efecto de segundo orden donde los fotones CMB interactúan con electrones que tienen altas energías debido a su movimiento de masa (también llamado efecto Ostriker-Vishniac, en honor a Jeremiah P. Ostriker y Ethan Vishniac ).
  • Polarización

El efecto Sunyaev-Zeldovich es de gran interés astrofísico y cosmológico . Puede ayudar a determinar el valor de la constante de Hubble , determinar la ubicación de nuevos cúmulos de galaxias y en el estudio de la estructura y masa de los cúmulos. Dado que el efecto Sunyaev-Zeldovich es un efecto de dispersión, su magnitud es independiente del corrimiento al rojo, lo que significa que los conglomerados con alto corrimiento al rojo pueden detectarse con la misma facilidad que aquellos con bajo corrimiento al rojo.

Efectos térmicos

La distorsión del CMB resultante de una gran cantidad de electrones de alta energía se conoce como efecto térmico Sunyaev-Zeldovich. El efecto térmico Sunyaev-Zeldovich se estudia con mayor frecuencia en cúmulos de galaxias . Al comparar el efecto Sunyaev-Zeldovich y los datos de emisión de rayos X , se puede estudiar la estructura térmica del cúmulo y, si se conoce el perfil de temperatura, los datos de Sunyaev-Zeldovich se pueden utilizar para determinar la masa bariónica del cúmulo a lo largo de la línea. en vista. La comparación de Sunyaev-Zeldovich y los datos de rayos X también se puede utilizar para determinar la constante de Hubble utilizando la distancia del diámetro angular del cúmulo. Estas distorsiones térmicas también se pueden medir en supercúmulos y en gases del grupo local, aunque son menos significativas y más difíciles de detectar. En los supercúmulos, el efecto no es fuerte (<8 μK), pero con un equipo lo suficientemente preciso, la medición de esta distorsión puede dar una idea de la formación de estructuras a gran escala. Los gases del grupo local también pueden causar anisotropías en el CMB debido al efecto térmico Sunyaev-Zoldovich, que debe tenerse en cuenta al medir el CMB para determinadas escalas angulares.

Efectos cinemáticos

El efecto cinemático Sunyaev-Zeldovich se produce cuando un cúmulo de galaxias se mueve en relación con el flujo del Hubble . El efecto cinemático Sunyaev-Zeldovich proporciona un método para calcular la velocidad peculiar:

donde es la velocidad peculiar y es la profundidad óptica. Para utilizar esta ecuación, es necesario separar los efectos térmicos y cinemáticos. El efecto es relativamente débil para la mayoría de los cúmulos de galaxias. Usando lentes gravitacionales , la velocidad peculiar se puede usar para determinar otros componentes de velocidad para un cúmulo de galaxias específico. Estos efectos cinemáticos se pueden utilizar para determinar la constante de Hubble y el comportamiento de los conglomerados.

Investigar

La investigación actual se centra en modelar cómo genera el efecto el plasma intracúmulo en cúmulos de galaxias y en utilizar el efecto para estimar la constante de Hubble y separar diferentes componentes en las estadísticas de promedio angular de las fluctuaciones en el fondo. Se están estudiando simulaciones de formación de estructuras hidrodinámicas para obtener datos sobre los efectos térmicos y cinéticos en la teoría. Las observaciones son difíciles debido a la pequeña amplitud del efecto y a la confusión con el error experimental y otras fuentes de fluctuaciones de temperatura del CMB. Para distinguir el efecto SZ debido a los cúmulos de galaxias de las perturbaciones de densidad ordinarias, se utilizan tanto la dependencia espectral como la dependencia espacial de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas .

Un factor que facilita la detección de grupos de alto corrimiento al rojo es la relación entre la escala angular y el corrimiento al rojo : cambia poco entre corrimientos al rojo de 0,3 y 2, lo que significa que los grupos entre estos corrimientos al rojo tienen tamaños similares en el cielo. Barbosa et al. Han demostrado el uso de estudios de conglomerados detectados por su efecto Sunyaev-Zeldovich para la determinación de parámetros cosmológicos. (1996). Esto podría ayudar a comprender la dinámica de la energía oscura en los levantamientos ( South Pole Telescope , Atacama Cosmology Telescope , Planck ).

Observaciones

Se sabe que esta imagen tomada por Atacama Large Millimeter Array es uno de los cúmulos de galaxias más grandes, conocido como RX J1347-1145
Primeras mediciones del efecto térmico Sunyaev-Zeldovich del Atacama Large Millimeter Array con uno de los cúmulos de galaxias más masivos conocidos, RX J1347.5-1145 .

En 1984, investigadores del Cambridge Radio Astronomy Group y del Owens Valley Radio Observatory detectaron por primera vez el efecto Sunyaev-Zeldovich de los cúmulos de galaxias . Diez años más tarde, se utilizó el telescopio Ryle para obtener imágenes de un cúmulo de galaxias en el efecto Sunyaev-Zeldovich por primera vez.

En 1987, el satélite Cosmic Background Explorer (COBE) observó el CMB y proporcionó datos más precisos para las anisotropías en el CMB, lo que permitió un análisis más preciso del efecto Sunyaev-Zeldovich.

Los instrumentos construidos específicamente para estudiar el efecto incluyen la cámara Sunyaev-Zeldovich en el Atacama Pathfinder Experiment , y el Sunyaev-Zeldovich Array , que vieron la primera luz en 2005. En 2012, el Atacama Cosmology Telescope (ACT) realizó la primera detección estadística de el efecto cinemático SZ. En 2012, el efecto cinemático SZ se detectó por primera vez en un objeto individual en MACS J0717.5 + 3745 .

En 2015, el South Pole Telescope (SPT) había utilizado el efecto Sunyaev-Zeldovich para descubrir 415 cúmulos de galaxias. El efecto Sunyaev-Zeldovich ha sido y seguirá siendo una herramienta importante en el descubrimiento de cientos de cúmulos de galaxias.

Experimentos recientes como el telescopio de globo OLIMPO intentan recolectar datos en bandas de frecuencia específicas y regiones específicas del cielo para identificar el efecto Sunyaev-Zeldovich y dar un mapa más preciso de ciertas regiones del cielo.

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos