Efecto Sunyaev-Zeldovich

El efecto Sunyaev-Zeldovich (llamado así en honor a 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 CMB de baja energía reciben un impulso de energía promedio durante la colisión con los electrones del cúmulo de alta energía. Las distorsiones observadas en el espectro de fondo cósmico de microondas se utilizan para detectar la alteración de la densidad en el universo. Utilizando el efecto Sunyaev-Zeldovich, se han observado densos cúmulos de galaxias.

Descripción general

El efecto Sunyaev–Zeldovich fue predicho por Rashid Sunyaev y Yakov Zeldovich para describir los anisotropies en el CMB. El efecto es causado por el CMB interactuando con electrones de alta energía. Estos electrones de alta energía provocan la dispersión inversa de los fotones de CMB que causa una distorsión en el espectro de radiación de la CMB. El efecto Sunyaev–Zeldovich es más evidente al observar los racimos galácticos. Análisis de datos CMB en resolución angular superior (alto l l {displaystyle ell }-valores) 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 vracs (también llamado el efecto Ostriker-Vishniac, después de Jeremías 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 cúmulos con un corrimiento al rojo alto pueden detectarse tan fácilmente como aquellos con 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 más comúnmente 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 datos de Sunyaev-Zeldovich y 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, medir 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.

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:

Δ Δ Tkin=− − TCMBVpcτ τ {displaystyle Delta T_{text{kin}=-T_{text{CMB}{frac {fnh} {fnK}}tau}

Vp{displaystyle V_{p}

τ τ {displaystyle tau }

Investigación

La investigación actual se centra en modelar cómo se genera el efecto por 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 angulares promedio 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 cúmulos de alto corrimiento al rojo es la escala angular versus la relación de 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. Barbosa et al. han demostrado el uso de estudios de cúmulos 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 estudios (Telescopio del Polo Sur, Telescopio de Cosmología de Atacama, Planck).

Observaciones

En 1984, investigadores del Grupo de Radioastronomía de Cambridge y el Radio Observatorio del Valle de Owens detectaron por primera vez el efecto Sunyaev-Zeldovich en 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 sobre 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 su primera luz en 2005. En 2012, el Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) realizó la primera Detección estadística del efecto cinemático SZ. En 2012 se detectó por primera vez el efecto cinemático SZ en un objeto individual en MACS J0717.5+3745.

En 2015, el Telescopio del Polo Sur (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 para descubrir cientos de cúmulos de galaxias.

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