スニヤエフ・ゼルドビッチ効果

スニヤエフ・ゼルドビッチ効果 (Sunyaev-Zel'dovich effect, SZ効果)

スニヤエフ・ゼルドビッチ効果（SZ効果）とは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の光子が、銀河団内の高温の電子と相互作用することで、CMBのスペクトルにわずかな変化が生じる現象です。具体的には、CMB光子が銀河団を通過する際、銀河団内の高エネルギー電子によって散乱され、その結果、光子のエネルギーがわずかに増加します。この現象は、宇宙の構造を調べる上で非常に重要な役割を果たしています。

SZ効果の概要

SZ効果は、CMB光子が銀河団内の電子と相互作用する際に発生します。この際、観測者が観測しているのは、銀河団の背後から来たCMB光子が散乱されたものではなく、銀河団内の電子が散乱させた光子です。光子のエネルギーが最も増加するのは、観測者方向から入射した光子が、銀河団内で観測者方向へ運動する電子と正面衝突した場合です。逆に、銀河団の背後から入射した光子が散乱されて観測者方向へ飛ぶ確率は低く、その場合のエネルギー増加もごくわずかです。

SZ効果は、主に以下の2つに分類されます。

1. 熱的効果：
CMB光子が高温の電子と相互作用することで生じます。銀河団内の電子は非常に高温であり、この熱的な運動エネルギーがCMB光子にエネルギーを与え、スペクトルを変化させます。この効果は、比較的強く観測されやすいです。

2. キネマティック効果：
CMB光子が、観測者に対して全体として運動している電子集団（例えば、銀河団内のプラズマ）と相互作用することで生じます。これは熱的効果に比べて効果は小さいものの、電子集団の視線方向速度に依存します。
この効果は、エレミア・オストライカーとイーサン・ヴィスニアックにちなんで、オストライカー・ヴィスニアック効果とも呼ばれることがあります。

SZ効果の発見と研究

ラシード・スニャーエフとヤーコフ・ゼルドビッチによって1969年、1972年、1980年に理論的に予測されたSZ効果は、宇宙論研究における重要な観測対象となっています。この効果を用いることで、ハッブル定数の決定や銀河団の分布を調べることが可能になります。また、通常の密度揺らぎによるCMB変動と区別するため、電磁スペクトル依存性や空間的な分布パターンが用いられます。

より精密なCMBデータの解析には、SZ効果を考慮に入れる必要があります。特に高角度分解能での解析では、この効果の影響が無視できなくなります。この効果を詳細に研究するためには、ボルツマン方程式を用いてCMB光子と電子の2回散乱（2回逆コンプトン散乱）を考慮した熱的効果の計算などが用いられています。

現在の研究は、SZ効果が銀河団間のプラズマによってどのように生じるかをモデル化し、ハッブル定数の評価、背景放射のゆらぎにおける成分分離などに焦点を当てています。また、熱的効果とキネマティック効果のデータを取得するために、流体力学的構造形成シミュレーションも活用されています。

SZ効果の観測の難しさと重要性

SZ効果の観測は、その振幅の小ささや観測エラー、CMB温度ゆらぎとの混同などにより、容易ではありません。しかし、この効果は散乱効果であるため、赤方偏移に依存せず、遠方の銀河団も検出できるという大きな利点があります。特に、赤方偏移z=0.3～2の範囲では、銀河団の角直径の変化が小さく、視野内でほぼ同じサイズで観測できるため、遠方の銀河団の検出が比較的容易になります。

SZ効果を利用して発見された銀河団は、宇宙論パラメータの決定に利用できます。これは、今後のサーベイ（SPT、ACT、プランクなど）で得られるデータから、ダークエネルギーの力学を理解する上で重要な役割を果たすと期待されています。

SZ効果の観測における時系列

1983年: ケンブリッジ電波天文学グループとオーウェンズバレー電波天文台が、銀河団から初のSZ効果を検出。
1993年: マラード電波天文台のライル望遠鏡が、銀河団のSZ効果の継続的な観測を開始。
2003年: WMAP衛星が全天CMBマップを作成。SZ効果の限定的な検出能力。
2005年: アークミニット・マイクロケルビン・イメージャー (AMI) とスニヤエフ・ゼルドビッチ・アレイ (SZA) が、SZ効果を用いて高赤方偏移銀河団の観測を開始。
2007年: 南極点望遠鏡 (SPT) がファーストライト、科学観測開始。
2007年: アタカマ[[宇宙論望遠鏡]] (ACT) がファーストライト、銀河団のSZ効果のサーベイ開始。
2008年: 南極点望遠鏡がSZ効果による最初の銀河団を発見。
2009年: 欧州宇宙機関の人工衛星プランクが打ち上げられ、全天マイクロ波サーベイを開始。
2010年: プランクが2回目の全天サーベイを開始。
2012年: ACTがキネティックSZ効果を初めて検出。
2012年: カルテクサブミリ波天文台 (CSO) の観測で、巨大銀河団のキネマティックSZ効果を検出。
* 2016年: アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計 (ALMA) が、史上最高解像度でSZ効果を検出。

まとめ

スニヤエフ・ゼルドビッチ効果は、宇宙マイクロ波背景放射のスペクトルを変化させる現象であり、銀河団の観測や宇宙論パラメータの決定に不可欠なツールとなっています。観測は困難であるものの、赤方偏移に依存しないという特徴から、遠方の宇宙の構造を調べる上で非常に重要です。今後の観測データによって、宇宙の謎がさらに解き明かされることが期待されています。

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