L’effetto Syunyaev-Zel’dovich e le sue implicazioni cosmologiche

1. L’effetto Syunyaev-Zel’dovich e le sue implicazioni cosmologiche

2. Sommario • Il gas intracluster proprietà del gas dedotte dalle osservazioni X cenni al riscaldamento del gas • Interazione tra il gas e i fotoni CMBR dipendenza dalla frequenza dell’effetto termico i cluster come sorgente submillimetrica l’effetto SZ relativistico • Importanza cosmologica dell’effetto SZ cenni su cosmologie alternative test cosmologici con misure di effetto SZ misure SZ a MITO il progetto MASTER

3. Il gas intracluster • Tutti gli ammassi ricchi sono sorgenti X con luminosità dell’ordine di 1043-1045 erg/s • Quest’emissione X è interpretata come bremsstrahlung di un gas intergalattico caldo con Ne>10-3 cm-3 ed avente una temperatura equivalente a 3-10 Kev

4. Il gas intracluster Il cluster Abell 2029 visto in ottico ed in X

5. Osservazioni X Per una nube sferica isoterma con una densità costante indipendente dal raggio Vale anche la formula per l’emissione Che permette di ricavare il flusso X

6. Interpretazione dei dati X • Il gas non può essere molto più caldo di mp<Vp2>/5k (dove Vp è la velocità quadratica media delle galassie nel cluster) altrimenti sarebbe insensibile al potenziale gravitazionale del cluster e si espanderebbe alla velocità del suono, uscendo dal sistema. • Se la temperatura fosse molto minore di questo valore il gas si accumulerebbe al centro della buca di potenziale dove si comprimerebbe e raffredderebbe velocemente per mezzo di perdite radiative

7. Interpretazione dei dati X • Il gas ha un’alta conducibilità termica elettronica, ed in assenza di un campo magnetico disordinato su piccole scale, è isotermo. L’emissione X del cluster della Vergine (a fianco ) vista dal satellite ROSAT e dell’ammasso di Coma (in alto) vista dal XMM-Newton

8. Riscaldamento del gas • Il tempo scala per il raffreddamento radiativo e quello per comptonizzazione sono maggiori del tempo di Hubble • Il gas una volta scaldato non fa in tempo a raffreddarsi • Dissipazione di energia da onde acustiche e di shock generate dal moto di galassie • Onde di shock da esplosioni di supernova, l’eccesso di energia scalda il gas

9. Riscaldamento del gas • Riscaldamento del gas da onda di shock generata dal protocluster in contrazione • La composizione chimica del gas è molto diversa da quella primordiale • Arricchimento chimico susseguente alla formazione stellare nelle galassie • Arricchimento chimico da stelle pregalattiche

10. Effetto sul fondo a microonde • Il cluster può essere considerato come un plasma ad alta temperatura con uno spessore ottico allo scattering Thomson • L’effetto doppler altera lo spettro dei fotoni scatterati • Nella regione RJ l’intensità diminuisce • Nella regione di Wien l’intensità aumenta

11. Dipendenza dalla frequenza dell’effetto termico • Se T <<1 i fotoni del CMBR hanno subito un solo scattering ed è possibile usare l’equazione di diffusione di Kompaneets trascurando i termini che descrivono il rinculo poiché h<<kTe Per un corpo nero ha la soluzione

12. Dipendenza dalla frequenza dell’effetto termico La funzione ha un minimo a x=2.26 (λ=2.1mm), uno zero a x=3.83 (λ =1.25mm) ed un massimo a x=6.51 (λ=0.74mm) • y=0.055 • y=0.025 • y=0

13. Un esempio di rivelazione dell’effetto SZ

14. I cluster come sorgenti in banda submillimetrica • L’incremento dell’intensità del background nella direzione del cluster rende gli ammassi potenti sorgenti in banda submillimetrica

15. I cluster come sorgenti in banda submillimetrica x << 1 (Rayleigh-Jeans) x >>1 (Wien) La funzione ha un minimo a x=2.26 (λ =2.1mm), uno zero a x=3.83 (λ =1.25mm) ed un massimo a x=6.51 (λ=0.74mm)

16. I cluster come sorgenti in banda submillimetrica • L’atmosfera ha delle finestre in questa banda!! • E’ dunque possibile progettare degli esperimenti da terra che rivelino i cluster nel submillimetrico

17. L’effetto SZ relativistico •  basso implica più di uno scattering, cade l’approssimazione di diffusione • Le temperature del gas di elettroni portano a velocità relativistiche con conseguente correzione della distribuzione maxwelliana Le correzioni sono lineari in Te

18. Misure cosmologiche tramite effetto SZ • Unitamente alle osservazioni X le osservazioni SZ in banda radio potrebbero svelare la distribuzione di densità del gas e la dimensione lineare dell’ammasso • Se la nube è sferica isoterma con una densità costante indipendente dal raggio è possibile ricavare da misure X a diverse frequenze kTe, da Iν si trova Ne • Misurando DT/T si ottiene la dimensione lineare del cluster. • Alternativamente R può essere ricavato dalla distribuzione della densità del gas

19. Misure cosmologiche tramite effetto SZ • Nota la dimensione lineare ed angolare dell’ammasso si ricava la sua distanza, che può anche essere determinata dal suo flusso X. • Di conseguenza, avendo il redshift dell’ammasso, si può calcolare il valore della costante di Hubble. Il pregio maggiore di questo metodo è che semplicemente supponendo la simmetria sferica si ricava la dimensione lineare del fascio, rendendoli dei regoli di dimensione nota ad una distanza nota. Questo fatto rende le misure di effetto SZ importante per la stima dei diversi parametri cosmologici

20. Cosmologie alternative Dall’equazione di Gibbs • β=0 implica la cosmologia FLRW • con espansione adiabatica e • conservazione dei fotoni • β=1 indica una situazione con • creazione di materia così • grande da compensare la • diluizione dovuta all’espansione

21. Cosmologie alternative Delle ipotesi teoriche di questo tipo portano a scaling della tempeatura in funzione di z come Se β è costante Un altro tipo di scaling per T(z) ipotizzato da altri modelli è del tipo

22. Cosmologie alternative Andamenti di T in funzione di z per diversi modelli cosmologici

23. Test cosmologici • Le misure di effetto SZ possono essere usate come test del modello cosmologico, data la frequenza a cui ho l’effetto si riscala T per z con un modello e confronta con osservazioni precedenti (es COBE) • La frequenza adimensionale nella cosmologia standard è indipendente da z Cosmologia non standard Alternativamente si può misurare x dello zero per molti cluster e vedere se è indipendente da z come predetto dalla cosmologia FRLW

24. Misure attuali • Tra le poche misure millimetriche che al momento hanno dato dei valori con un errore e non solo un limite superiore sono state effettuate dal gruppo dell’Università la Sapienza di Roma al telescopio MITO della Testa Grigia basandosi sul cluster di Coma. • La misura è effettuata su 4 canali, con 3 è possibile eliminare i foreground atmosferici, il quarto è centrato sulla frequenza dello 0 in intensità per cercare di dare una stima per quanto rozza del termine cinematico (relativistico) La differenza di intensità dovuto all’effetto SZ termico è convoluta con la risposta spettrale del fotometro e la trasmissione atmosferica

25. Misure a MITO I dati registrati in ognuno del canali possono essere considerati come somma di diversi termini Segnale dal CMB Segnale atmosferico Segnale SZ Altre sorgenti di rumore Raggi cosmici Offset strumentale • Squilibrio termico dello specchio primario • Lobi laterali del profilo d’antenna

26. Risultati I valori vanno corretti a causa del beam diluition e della modulazione (sky chopping) minimo zero massimo

27. Risultati I dati sono stati utilizzati per testare il modello cosmologico I valori ottenuti sono in accordo col modello cosmologico standard e con i valori ottenuti dalle transizioni delle righe spettrali. (LoSecco et al) Occorre aumentare la statistica per mezzo di misure multifrequenza fino ad almeno 20 diversi cluster

28. Misure con MASTER Misure di effetto SZ con un radiometro triplo a banda larga alle frequenze del minimo massimo e zero della intensità SZ

29. MASTER Il canale centrale sarà sufficientemente sensibile da permetter di misurare la velocità peculiare del cluster • Osservazioni basate sullo sky chopping • Modulazione con una forma d’onda dello specchio secondario del telescopio per effettuare misure differenziali Riduzione rumore atmosferico e dei foregrounds

30. Bibliografia • R. Syunyaev, Y. Zel’dovich, Intergalactic gas in cluster of galaxies, the microvawe background, and cosmology • Y Rapaheli, Comptonization of the cosmic microvawe background • E. Battistelli et al, Cosmic microvawe background temperature at galaxy cluster • J.A.S. Lima et al, Is the temperature-redshift relation of the standard cosomlogy in accordance with the data? • J. LoSecco, G. Mathews, Y. Wang, Prospects for costraining cosmology with the extragalactic cosmic microwave backgound temperature • A. Tartari et al, Sunyaev-Zel’dovic effect studies with MASTER • http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Birkinshaw/Birk_contents.html