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) causada por la dispersión Compton inversa de electrones de alta energía en cúmulos de galaxias. En este fenómeno, los fotones de baja energía del CMB experimentan un aumento de energía promedio durante la colisión con los electrones de alta energía del cúmulo. Las distorsiones observadas en el espectro del fondo cósmico de microondas se utilizan para detectar perturbaciones en la densidad del universo. Mediante el efecto Sunyaev-Zeldovich, se han observado cúmulos densos de galaxias .

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 la dispersión Compton inversa de los fotones del CMB, lo que provoca una distorsión en el espectro de radiación del CMB. El efecto Sunyaev-Zeldovich es más evidente al observar cúmulos galácticos. El análisis de datos del CMB a mayor resolución angular (alta${\displaystyle \ell }$-valores ) requiere tener en cuenta el efecto Sunyaev-Zeldovich.

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

• Efectos térmicos , donde los fotones del CMB interactúan con electrones que tienen altas energías debido a su temperatura.
• Efectos cinemáticos , un efecto de segundo orden donde los fotones del CMB interactúan con electrones que tienen altas energías debido a su movimiento global (también llamado efecto Ostriker-Vishniac, en honor a Jeremiah P. Ostriker y Ethan Vishniac . ^{[ 1 ]} )
• Polarización

El efecto Sunyaev-Zeldovich es de gran interés astrofísico y cosmológico . Puede ayudar a determinar el valor de la constante de Hubble , la ubicación de nuevos cúmulos de galaxias y el estudio de su estructura y masa. 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 a alto corrimiento al rojo pueden detectarse con la misma facilidad que los de bajo corrimiento al rojo.

La distorsión del CMB resultante de un gran número de electrones de alta energía se conoce como el efecto térmico Sunyaev-Zeldovich. Este efecto se estudia con mayor frecuencia en cúmulos de galaxias . Al comparar el efecto Sunyaev-Zeldovich con 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 usar 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 de rayos X también se puede usar 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 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 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 ]}

El efecto cinemático Sunyaev-Zeldovich se produce cuando un cúmulo de galaxias se mueve con respecto al flujo de Hubble . El efecto cinemático Sunyaev-Zeldovich proporciona un método para calcular la velocidad peculiar: $${\displaystyle \Delta T_{\text{kin}}=-T_{\text{CMB}}{\frac {V_{p}}{c}}\tau }$$ dónde${\displaystyle V_{p}}$es la velocidad peculiar, y${\displaystyle \tau }$es la profundidad óptica. ^{[ 4 ]} Para usar 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 puede usarse para determinar otros componentes de velocidad para un cúmulo de galaxias específico. ^{[ 2 ]} Estos efectos cinemáticos pueden usarse para determinar la constante de Hubble y el comportamiento de los cúmulos.

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 promedio angulares 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. ^{[ 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 a alto corrimiento al rojo es la relación entre la escala angular y el corrimiento al rojo : esta relación varía poco entre corrimientos al rojo de 0,3 y 2, lo que significa que los cúmulos con corrimientos al rojo entre estos valores 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 estudios ( Telescopio del Polo Sur , Telescopio Cosmológico de Atacama , Planck ).

En 1984, investigadores del Grupo de Radioastronomía de Cambridge y del Observatorio de Radio de Owens Valley detectaron por primera vez el efecto Sunyaev-Zeldovich en cúmulos de galaxias . ^{[ 7 ]} Diez años después, el Telescopio Ryle se utilizó para obtener imágenes de un cúmulo de galaxias con 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 luz por primera vez en 2005. En 2012, el Telescopio Cosmológico de Atacama ⁽ ACT) realizó la primera detección estadística del efecto SZ cinemático. ^{[ 10 ]} En 2012, el efecto SZ cinemático fue detectado en un objeto individual por primera vez en MACS J0717.5+3745 . ^{[ 11 ]}

Hasta 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 a bordo de un globo OLIMPO, intentan recopilar datos en bandas de frecuencia específicas y regiones específicas del cielo para determinar el efecto Sunyaev-Zeldovich y proporcionar un mapa más preciso de ciertas regiones del cielo. ^{[ 13 ]}

• Efecto Sachs-Wolfe
• Distorsiones espectrales del fondo cósmico de microondas
• ecuación de Kompaneyets

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• Efecto Sunyaev-Zel'dovich en arxiv.org