Medidas del efecto kSZ sin informacion radial

• Título:The Kinematic Sunyaev-Zel’dovich Effect with Projected Fields: A Novel Probe of the Baryon Distribution with Planck, WMAP, and WISE Data (artículo 1, artículo 2).
• Autores: C. Hill, S. Ferraro, N. Battaglia, J. Liu, D. Spergel.
• Institución del primer autor: Columbia University.

Antecedentes

Figura 1: Filtro utilizado para suprimir la contribución de las perturbaciones primordiales del CMB y realzar la contribución del efecto kSZ. El filtro utilizado en el análisis del artículo corresponde a la linea azul. Figura obtenida del artículo 2.

En un astrobito anterior describimos cómo la dispersión de los fotones del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés) causada por los electrones libres del gas ionizado genera una distorsión en el patrón de perturbaciones del CMB conocida como el efecto Sunyaev-Zel’dovich cinemático (kSZ). La posibilidad de medir este efecto es muy atractiva, dado que encierra una gran cantidad de información acerca de la distribución de bariones, el proceso de reionización o incluso el ritmo de crecimiento de estructura en el Universo.

Debido a la dificultad que presenta el separar el efecto de las perturbaciones primordiales del CMB, casi todos los métodos propuestos anteriormente se basan en utilizar catálogos espectroscópicos de galaxias, en los cuales es posible reconstruir con exactitud las distancias a las mismas. Esto limita considerablemente la aplicabilidad de estos métodos, dado que los catálogos espectroscópicos suelen cubrir áreas y profundidades limitadas. Los autores del artículo de hoy proponen y utilizan un nuevo método para medir el efecto kSZ que trata de evitar estas dificultades.

Método

El método propuesto en este artículo se basa en combinar un mapa del fondo de radiación con un catálogo de galaxias, para las que no necesariamente se conocen sus distancias. El método propuesto sigue los siguientes pasos:

1. Se genera un mapa del CMB dominado por la contribución del efecto kSZ aplicando un filtro en escalas angulares que suprime la contribución de las perturbaciones primordiales del CMB. El filtro óptimo utilizado para esto se muestra en la Figura 1, y está diseñado utilizando modelos para los espectros de potencias de ambas contribuciones (primordial y kSZ).
2. Este mapa se eleva al cuadrado. La razón para hacer esto es que las velocidades causantes del efecto kSZ pueden ser positivas y negativas con igual probabilidad, y la señal total que se quiere medir se cancelaría estadísticamente.
3. Se produce un mapa del contraste de densidad angular de galaxias dg a partir de las posiciones angulares de los objetos en el catálogo.
4. Se correlacionan ambos mapas (es decir, se calcula el valor medio del producto de ambos mapas en función de la escala angular).

El hecho de que el mapa de perturbaciones del CMB en este método se encuentre elevado al cuadrado tiene dos consecuencias importantes para el análisis:

• Por un lado, la correlación cruzada con el catálogo de galaxias se encuentra dominada por términos a tercer orden en las perturbaciones de densidad (en lugar de los términos dominantes a orden 2 más corrientes en este tipo de análisis). Debido a esto, las contribuciones no-lineales a la distribución de materia han de ser modeladas con exactitud.
• Por otro, esta correlación cruzada recibe contribuciones, no solo del efecto kSZ, sino también del efecto de lente gravitacional del CMB (CMBL), del que también hemos hablado anteriormente. Esta contribución, de hecho, domina sobre el efecto kSZ, y por lo tanto debe ser sustraida de forma adecuada. Ambas contribuciones se muestran en la Figura 2.

Figura 2: Medidas de la correlación cruzada entre el mapa modificado del CMB y el catálogo de galaxias WISE (puntos verdes), dominado por la contribución de CMBL (linea punteada). La contribución del efecto kSZ (medida correspondiente a los puntos violeta, predicción correspondiente a la linea azul) tiene una significado estadístico de 4 desviaciones típicas.

Resultado

Los autores aplicaron el método descrito arriba al catálogo de galaxias WISE, con un ‘redshift’ medio z~0.4, en combinación con un mapa de CMB obtenido a partir de los datos de los experimentos WMAP y Planck (ver artículo relacionado).

Entre las comprobaciones realizadas por los autores para asegurarse de que la señal medida de esta forma está libre de errores sistemáticos, cabe destacar las muchas formas en las que han comprobado que no existe una correlación entre el mapa del CMB y el catálogo de galaxias causada, no por los efectos CMBL o kSZ, sino por la emisión de polvo galáctico de las fuentes de WISE. En todos los casos los autores verificaron que estos posibles errores sistemáticos se encuentran muy por debajo de las incertidumbres estadísticas.

El resultado final, mostrado en la Figura 2, corresponde a una detección del efecto kSZ con una significación estadística de aproximadamente 4-σ, comparable o incluso superior a anteriores medidas de este efecto.