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Efecto Sunyaev-Zeldovich

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 Compton inversa por electrones de alta energía en cúmulos de galaxias, en la que los fotones de baja energía del CMB reciben un impulso de energía promedio durante la colisión con los electrones de alta energía del cúmulo. Las distorsiones observadas del espectro del fondo cósmico de microondas se utilizan para detectar la perturbación de la densidad en el universo. Utilizando el efecto Sunyaev-Zeldovich, se han observado cúmulos densos de galaxias .

Descripción general

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

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

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 la 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 cúmulos con un corrimiento al rojo alto se pueden detectar con la misma facilidad que los que tienen un corrimiento al rojo bajo.

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 de visión. [2] La comparación de los datos de Sunyaev-Zeldovich y los de rayos X también se puede utilizar para determinar la constante de Hubble utilizando la distancia del diámetro angular del cúmulo. [3] Estas distorsiones térmicas también se pueden medir en supercúmulos y en gases en el 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-Zeldovich, que debe tenerse en cuenta al medir el CMB para ciertas escalas angulares. [2]

Efectos cinemáticos

El efecto cinemático Sunyaev-Zeldovich se produce cuando un cúmulo de galaxias se mueve en relación con el flujo de Hubble . El efecto cinemático Sunyaev-Zeldovich proporciona un método para calcular la velocidad peculiar: donde es la velocidad peculiar y es la profundidad óptica. [4] 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. Utilizando el efecto de lente gravitacional , la velocidad peculiar se puede utilizar para determinar otros componentes de velocidad para un cúmulo de galaxias específico. [2] Estos efectos cinemáticos se pueden utilizar para determinar la constante de Hubble y el comportamiento de los cúmulos.

Investigación

La investigación actual se centra en modelar cómo se genera el efecto por el plasma intracúmulo en cúmulos de galaxias , y en usar el efecto para estimar la constante de Hubble y separar diferentes componentes en las estadísticas promedio angulares de fluctuaciones en el fondo. Se están estudiando simulaciones de formación de estructura hidrodinámica para obtener datos sobre los efectos térmicos y cinéticos en la teoría. [5] 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 cúmulos con altos corrimientos 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 cúmulos entre estos corrimientos al rojo tienen tamaños similares en el cielo. El uso de estudios de cúmulos detectados por su efecto Sunyaev-Zeldovich para la determinación de parámetros cosmológicos ha sido demostrado por Barbosa et al. (1996). Esto podría ayudar a comprender la dinámica de la energía oscura en los estudios ( Telescopio del Polo Sur , Telescopio Cosmológico de Atacama , Planck ).

Observaciones

Esta imagen tomada por el Atacama Large Millimeter Array es conocida por ser uno de los cúmulos de galaxias más grandes, conocido como RX J1347-1145.
Primeras mediciones del efecto térmico Sunyaev–Zeldovich desde el Atacama Large Millimeter Array con uno de los cúmulos de galaxias más masivos conocidos, RX J1347.5-1145 . [6]

En 1984, investigadores del Cambridge Radio Astronomy Group y del Owens Valley Radio Observatory detectaron por primera vez el efecto Sunyaev-Zeldovich en cúmulos de galaxias . [7] 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. [8]

En 1987, el satélite Cosmic Background Explorer (COBE) observó el CMB y proporcionó datos más precisos sobre las anisotropías en el CMB, lo que permitió un análisis más preciso del efecto Sunyaev-Zeldovich. [2]

Los instrumentos construidos específicamente para estudiar el efecto incluyen la cámara Sunyaev–Zeldovich en el Atacama Pathfinder Experiment , [9] y el Sunyaev–Zeldovich Array , que vieron su primera luz en 2005. En 2012, el Atacama Cosmology Telescope (ACT) realizó la primera detección estadística del efecto SZ cinemático. [10] En 2012, el efecto SZ cinemático se detectó en un objeto individual por primera vez en MACS J0717.5+3745 . [11]

En 2015, el Telescopio del Polo Sur (SPT) había utilizado el efecto Sunyaev-Zeldovich para descubrir 415 cúmulos de galaxias. [12] El efecto Sunyaev-Zeldovich ha sido y seguirá siendo una herramienta importante para descubrir cientos de cúmulos de galaxias.

Experimentos recientes, como el telescopio en globo OLIMPO, intentan recopilar datos en bandas de frecuencia específicas y regiones específicas del cielo para localizar el efecto Sunyaev-Zeldovich y proporcionar un mapa más preciso de ciertas regiones del cielo. [13]

Véase también

Referencias

  1. ^ Ostriker, Jeremiah P. y Vishniac, Ethan T. (1986). "Generación de fluctuaciones del fondo de microondas a partir de perturbaciones no lineales en la era de la formación de galaxias". Astrophysical Journal Letters . 306 : L51. Código Bibliográfico :1986ApJ...306L..51O. doi :10.1086/184704.
  2. ^ abcd Birkinshaw, M (marzo de 1999). "El efecto Sunyaev–Zel'dovich". Physics Reports . 310 (2–3): 97–195. arXiv : astro-ph/9808050 . Código Bibliográfico :1999PhR...310...97B. doi :10.1016/S0370-1573(98)00080-5. hdl :1983/5d24f14a-26e0-44d3-8496-5843b108fec5. S2CID  119330362.
  3. ^ Birkinshaw, M.; Hughes, JP (enero de 1994). "Una medición de la constante de Hubble a partir de las propiedades de rayos X y el efecto Sunyaev-Zel'dovich de Abell 2218". The Astrophysical Journal . 420 : 33. Bibcode :1994ApJ...420...33B. doi : 10.1086/173540 . ISSN  0004-637X.
  4. ^ Tartari, A.; Boella, G.; Candotti, M.; Gervasi, M.; Natale, V.; Passerini, A.; Sironi, G.; Zannoni, M. (9 de julio de 2003). "Estudios del efecto Sunyaev Zel'dovich con MASTER". Memoria de la Sociedad Astronómica Italiana Suplementaria . 2 : 44. arXiv : astro-ph/0307166 . Código Bib : 2003MSAIS...2...44T.
  5. ^ Cunnama D., Faltenbacher F.; Passmoor S., Cress C.; Cress, C.; Passmoor, S. (2009). "La alineación velocidad-forma de los cúmulos y el efecto cinético Sunyaev–Zeldovich". MNRAS Letters . 397 (1): L41–L45. arXiv : 0904.4765 . Código Bibliográfico :2009MNRAS.397L..41C. doi : 10.1111/j.1745-3933.2009.00680.x . S2CID  9809159.
  6. ^ "El agujero en el universo de ALMA". eso.org . Consultado el 20 de febrero de 2017 .
  7. ^ Birkinshaw, M.; Gull, SF; Hardebeck, H. (1984). "El efecto Sunyaev-Zeldovich hacia tres cúmulos de galaxias". Nature . 309 (5963): 34–35. Bibcode :1984Natur.309...34B. doi :10.1038/309034a0. S2CID  4276748.
  8. ^ Saunders, Richard (26 de noviembre de 1996). "Observaciones de Sunyaev-Zel'dovich con el telescopio Ryle". arXiv : astro-ph/9611213 .
  9. ^ Schwan, D.; Ade, P. a. R.; Basu, K.; Bender, AN; Bertoldi, F.; Cho, H.-M. ; Chon, G.; Clarke, John; Dobbs, M.; Ferrusca, D.; Güsten, R. (1 de septiembre de 2011). "Artículo invitado: Receptor de matriz de bolómetros de ondas milimétricas para el instrumento APEX-SZ (Atacama Pathfinder Experiment Sunyaev-Zel'dovich)". Review of Scientific Instruments . 82 (9): 091301. arXiv : 1008.0342 . Código Bibliográfico :2011RScI...82i1301S. doi :10.1063/1.3637460. ISSN  0034-6748. Número de modelo: PMID  21974566. Número de modelo: S2CID  33402455.
  10. ^ Hand, Nick; Addison, Graeme E.; Aubourg, Eric; Battaglia, Nick; Battistelli, Elia S.; Bizyaev, Dmitry; Bond, J. Richard; Brewington, Howard; Brinkmann, Jon; Brown, Benjamin R.; Das, Sudeep; Dawson, Kyle S.; Devlin, Mark J.; Dunkley, Joanna; Dunner, Rolando; Eisenstein, Daniel J.; Fowler, Joseph W.; Gralla, Megan B.; Hajian, Amir; Halpern, Mark; Hilton, Matt; Hincks, Adam D.; Hlozek, Renée; Hughes, John P.; Infante, Leopoldo; Irwin, Kent D.; Kosowsky, Arthur; Lin, Yen-Ting; Malanushenko, Elena; et al. (2012). "Detección de movimientos de cúmulos de galaxias con el efecto cinemático Sunyaev–Zeldovich". Physical Review Letters . 109 (4): 041101. arXiv : 1203.4219 . Código Bibliográfico :2012PhRvL.109d1101H. doi :10.1103/PhysRevLett.109.041101. PMID  23006072. S2CID  11392448.
  11. ^ Mroczkowski, Tony; Dicker, Simon; Sayers, Jack; Reese, Erik D.; Mason, Brian; Czakon, Nicole; Romero, Charles; Young, Alexander; Devlin, Mark; Golwala, Sunil; Korngut, Phillip (10 de diciembre de 2012). "Un estudio de múltiples longitudes de onda del efecto Sunyaev-Zel'dovich en el cúmulo de triple fusión Macs J0717.5+3745 con Mustang y Bolocam". The Astrophysical Journal . 761 (1): 47. arXiv : 1205.0052 . Código Bibliográfico :2012ApJ...761...47M. doi :10.1088/0004-637X/761/1/47. ISSN  0004-637X. S2CID  50951413.
  12. ^ Sangran, LE; Stalder, B.; de Haan, T.; Aird, KA; Allen, suroeste; Applegate, DE; Ashby, mln; Bautz, M.; Bayliss, M.; Benson, Licenciatura en Letras; Bocquet, S. (29 de enero de 2015). "Cúmulos de galaxias descubiertos mediante el efecto Sunyaev-Zel'dovich en el estudio SPT-Sz de 2500 grados cuadrados". Serie de suplementos de revistas astrofísicas . 216 (2): 27. arXiv : 1409.0850 . Código Bib : 2015ApJS..216...27B. doi :10.1088/0067-0049/216/2/27. hdl :1721.1/96784. ISSN  1538-4365. Número de identificación del sujeto  6663564.
  13. ^ Nati, F.; et al. (1 de marzo de 2007). "El experimento OLIMPO". New Astronomy Reviews . 51 (3–4): 385–389. Bibcode :2007NewAR..51..385N. doi :10.1016/j.newar.2006.11.066. ISSN  1387-6473.

Lectura adicional

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