은하단은 우주 역사 전반에 걸쳐 성장과 진화를 좌우하는 무수한 물리 과정에 의해 구조가 형성된 결과물이다. 그 결과로 은하단 내부의 물질 분포, 혹은 그 형상은 우주론 및 천체물리학적 과정, 특히 중력에 의한 새로운 물질의 부착(가산)에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 XMM-Newton을 이용한 Cluster HEritage 프로젝트의 Mass Assembly and Thermodynamics at the Endpoint of structure formation (CHEX-MATE)로부터 은하단의 3차원 삼축(triaxial) 형상을 조사하기 위한 분석 방법을 제안한다. 본 논문은 CHEX-MATE 삼축 분석 시리즈의 첫 번째로서, XMM-Newton의 X선 자료와 Planck 및 Atacama Cosmology Telescope가 제공하는 선야예프–젤도비치(Sunyaev–Zel’dovich, SZ) 효과 지도들을 활용하여 은하단 내부매질(ICM) 가스의 3차원 삼축적 기술을 도출하는 데 초점을 둔다. 우리는 가스의 밀도 및 압력에 대한 삼축 타원체 모델을 투영하여, X선 및 SZ 효과에서 관측되는 2차원 분포와 직접 비교할 수 있도록 하는 기법의 순방향(forward) 모델링 정식화를 제시한다. 마코프 연쇄 몬테카를로(Markov chain Monte Carlo, MCMC)를 사용하여 모델 매개변수의 사후분포를 추정한다. 매끈한 모델에 대한 모의(mimic) X선 및 SZ 관측을 사용하여, 본 방법이 진정한(진실한) 매개변수 값을 신뢰성 있게 복원할 수 있음을 보인다. 또한 분석을 CHEX-MATE 은하단 1개인 PSZ2 G313.33+61.13(Abell 1689)의 관측 데이터에 적용하여, 기법을 설명한다. 추정된 매개변수는 해당 은하단에 대한 기존 분석 결과와 일치하며, 우리의 결과는 ICM 분포의 축비(axial ratios)를 포함한 기하학적 특성들이 몇 퍼센트 이내로 제한됨을 시사한다. 이전 연구들보다 훨씬 더 높은 정밀도로, 따라서 Abell 1689이 시선 방향으로 유의미하게 길게 늘어져 있으며, 그 결과 예외적인 중력렌즈 현상 특성을 나타낸다는 점을 더욱 확고히 한다.

은하단은 우주 역사 전반에 걸쳐 성장과 진화를 좌우하는 무수한 물리 과정에 의해 구조가 형성된 결과물이다. 그 결과로 은하단 내부의 물질 분포, 혹은 그 형상은 우주론 및 천체물리학적 과정, 특히 중력에 의한 새로운 물질의 부착(가산)에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 XMM-Newton을 이용한 Cluster HEritage 프로젝트의 Mass Assembly and Thermodynamics at the Endpoint of structure formation (CHEX-MATE)로부터 은하단의 3차원 삼축(triaxial) 형상을 조사하기 위한 분석 방법을 제안한다. 본 논문은 CHEX-MATE 삼축 분석 시리즈의 첫 번째로서, XMM-Newton의 X선 자료와 Planck 및 Atacama Cosmology Telescope가 제공하는 선야예프–젤도비치(Sunyaev–Zel’dovich, SZ) 효과 지도들을 활용하여 은하단 내부매질(ICM) 가스의 3차원 삼축적 기술을 도출하는 데 초점을 둔다. 우리는 가스의 밀도 및 압력에 대한 삼축 타원체 모델을 투영하여, X선 및 SZ 효과에서 관측되는 2차원 분포와 직접 비교할 수 있도록 하는 기법의 순방향(forward) 모델링 정식화를 제시한다. 마코프 연쇄 몬테카를로(Markov chain Monte Carlo, MCMC)를 사용하여 모델 매개변수의 사후분포를 추정한다. 매끈한 모델에 대한 모의(mimic) X선 및 SZ 관측을 사용하여, 본 방법이 진정한(진실한) 매개변수 값을 신뢰성 있게 복원할 수 있음을 보인다. 또한 분석을 CHEX-MATE 은하단 1개인 PSZ2 G313.33+61.13(Abell 1689)의 관측 데이터에 적용하여, 기법을 설명한다. 추정된 매개변수는 해당 은하단에 대한 기존 분석 결과와 일치하며, 우리의 결과는 ICM 분포의 축비(axial ratios)를 포함한 기하학적 특성들이 몇 퍼센트 이내로 제한됨을 시사한다. 이전 연구들보다 훨씬 더 높은 정밀도로, 따라서 Abell 1689이 시선 방향으로 유의미하게 길게 늘어져 있으며, 그 결과 예외적인 중력렌즈 현상 특성을 나타낸다는 점을 더욱 확고히 한다.

CO Mapping Array Project (COMAP)는 Owens Valley Radio Observatory의 10.4 m 접시 안테나에서 19개 피드 26–34 GHz 집속면 스펙트로미터 어레이를 사용하여 수행하는 일산화탄소(CO) 선 강도 강도 매핑(line intensity mapping) 실험이다. 우리는 망원경의 시선(line of sight)을 따라 대기의 수증기 함량이 시간적으로 변동하는 양상을 연속적으로 측정하는 수증기 복사계(WVR)를 개발하여, COMAP 과학 데이터의 보정을 더 잘 수행하고자 한다. WVR은 약 22.2 GHz 부근의 수증기 회전 천이(transition) 선을 모니터링하도록 설계되었으며, 스펙트럼 측정은 18–26 GHz 사이에서 수행하고, 연속체(continuum) 측정은 28–30 GHz에서 수행한다. 여기서는 COMAP WVR 계측기 시스템을 기술한다.

수소화 아모르프 실리콘 평행판 커패시터를 사용하는 마이크로스트립 결합 벌크(집적) 소자형 알루미늄 키네틱 인덕턴스 검출기(Al/a-Si:H MS-PPC-LEKIDs)의 저주파 소음을 측정한 결과를 제시한다. 이러한 검출기는 차세대 확장 파장 다중밴드 서브밀리미터 인덕턴스 카메라(NEW-MUSIC)를 위해 개발 중이다. 암흑 조건에서, 이들 장치는 0.1 Hz까지 생성-재결합(GR) 잡음이 지배적임을 보인다. 또한 광학적 부하가 가해졌을 때에는 a-Si:H PPC를 사용함에도 불구하고, 수십 분의 1 Hz까지는 GR 잡음과 광자 잡음이 지배적일 가능성이 있으며, 더 낮은 주파수에서도 지배적일 수 있다. 본 측정 결과는 a-Si:H 재료의 저주파 두-수준 시스템(TLS) 잡음에 대한 한계를 설정하였고, 이는 0.1–10 kHz 대역에서의 고주파 측정과 일관되는 값이다. 이러한 결과는 NEW-MUSIC을 위한 우리의 MS-PPC-LEKID 설계가 다양한 관측 조건에서 광자 잡음 한계에 도달함을 입증하며, 더 나아가 a-Si:H PPC-KID가 천문학과 같은 매우 낮은 변조율 응용에도 적용 가능한 새로운 검출기 기술임을 보여준다.

계층적 구조 형성의 표준 모형 하에서 은하단의 전체 기하는 구보다는 삼축 타원으로 더 잘 기술된다. 그 결과, 구면대칭 모형의 적용은 상당한 편향을 초래할 수 있으며, 특히 약한 중력렌즈 관측으로부터 도출된 질량은 이에 특히 민감하다. 이러한 편향은 삼축 모형을 적합함으로써 완화할 수 있으나, 이를 위해서는 구조 형성의 종말(Endpoint of structure formation)에서의 물질 집합 및 열역학(“- Mass Assembly and Thermodynamics at Endpoint of structure formation”, CHEX-MATE)에 대한 Cluster Heritage 프로젝트의 은하단에서 이용 가능한 데이터에 기반한 심층 다중관측(multi-probe) 자료와, 이를 기술하기 위한 물리적 동기 부여 모델들의 집합이 필요하다. 본 연구는 CHEX-MATE의 은하단 데이터—(i) ACT의 Sunyaev-Zel'dovich 효과 맵으로부터의 X선 자료, (ii) Subaru로부터의 약한 중력렌즈 자료—를 포함하는 다중관측 삼축 분석 방법을 제시한다. 본 작업은 논문 I에서의 가스만을 사용한 X선 및 Sunyaev-Zel'dovich 삼축 적합 정식에 대한 우리의 선행 개발을 기반으로 한다. 알려진 성질을 갖는 모형 은하단에 대한 모의 관측을 통해 접근법을 검증한 후, 이를 CHEX-MATE 은하단 ļuster(Abell 1689)에 적용하였다. 그 결과, 이 은하단은 시선 방향에서의 길이가 하늘의 평면에 대한 길이보다 $ \mathcal R_{LP}=1.20 \pm 0.04$만큼더길다는것을발견하였다.이에따라,본삼축적합으로부터얻은약한중력렌즈질량은,동일한방법을적용하되구면대칭적합을사용하여얻은$(17.77_{-1.75}^{+2.00})\times10^{14}$와비교할때유의미하게낮은$(13.88_{-1.43}^{+1.73})\times10^{14}$이다.삼축적합은$\mathit{c}_{twoce}=8.66_{-1.70}^{+2.08}$의농도를도출하며,이는구면대칭적합에서의$9.99_{-1.78}^{+2.26}$값과일치한다.이는Abell1689에서예기치않게높은농도가삼축성및배향(orientation)에기인한것이아니라는점을시사한다.또한우리는반경0.18--1.37Mpc범위에서비열적압력분율을측정하였으며,중간반경에서약20$\pm5\%$였다.

구조 형성의 자기유사적 패러다임에서, 뜨거운 성단 내 가스의 열 압력은 각 성단의 프로파일을 고유질량 및 적색편이 의존성에 따라 정규화하면 보편적 분포를 따른다. 이러한 보편적 압력 프로파일의 재구성에는 각 성단의 질량에 대한 개별적인 추정이 필요하다. 이와 관련하여, 우리는 은하 성단의 표본에 대해 처음으로 보편적 압력 프로파일과 개별 성단의 M500 질량을 함께 동시 적합하는 방법을 제시하며, 프로파일의 형상과 크기(진폭) 간의 상관관계와 개별 프로파일을 스케일링하는 질량을 적절히 고려한다. 우리는 이 방법의 강력함을 입증하고, 성단에서 열 압력을 모델링할 때 보편적 압력 프로파일과 성단 질량 추정을 일관되게 활용하는 것이 편향을 피하는 데 필요함을 보여준다. 특히, 성단 질량 스케일에 의해 안내되는 이 방법은 입력 질량과 동일한 정확도로 개별 성단의 질량을 산출하면서도 더 높은 정밀도를 제공한다. XMM-Newton을 활용한 Cluster HEritage 프로젝트인 Mass Assembly and Thermodynamics at the Endpoint of structure formation (CHEX-MATE)의 데이터를 사용하여, 질량 및 적색편이 범위 2 ≲ M500 /10 14 M ⊙ ≲ 14, 0.07 < z < 0.6에 걸쳐 있는 약 25개의 은하 성단 표본을 조사한다.

전체 텍스트 포함: 316165.pdf (출판사 버전) (오픈 액세스)

선강도 매핑(Line intensity mapping, LIM)은 우주의 3차원 영역에서 해상되지 않은 은하들로부터 적분된 스펙트럼 선(line) 방출을 측정하는 성장하는 기법이다. LIM 실험은 궁극적으로 자기상관(auto-correlation)을 통해 강력한 우주론적 제약을 제공하는 것을 목표로 하지만, 많은 LIM 실험은 중첩되는 은하 관측 설문조사를 활용하여 두 데이터셋의 공동 분석을 가능하게 하는 방향으로 설계되기도 한다. 본 연구에서는 동일한 모의 은하 모집단에 대해 모의 은하 설문조사와 모의 LIM 데이터를 동시에 생성할 수 있는 유연한 시뮬레이션 파이프라인을 제시한다. 이 파이프라인을 사용하여 간단한 공동 분석 기법인 전통적인 은하 카탈로그로부터 얻은 은하의 위치에 대해 LIM 데이터를 3차원으로 공가(적층, co-addition 또는 stacking)하는 방법을 탐구한다. 우리는 이 기법의 산출물이 LIM 실험과 은하 설문조사의 실험 설계 변화에 어떻게 반응하는지, 다양한 천체물리학적 매개변수에 대한 감도는 어떠한지, 그리고 흔한 체계적 오차에 얼마나 취약한지를 시험한다. 그 결과, 적층 분석을 위한 이상적인 카탈로그는 가능한 한 많은 고질량 암흑물질 헤일로를 대상으로 하는 것이 유리함을 발견하였다. 또한 LIM 적층 분석에서의 신호는 카탈로그 대상 천체 자체로부터 거의 전적으로 기인하기보다는, 카탈로그 천체를 둘러싼 헤일로들의 거대규모 클러스터링으로부터 발생함을 확인하였다. 적층은 LIM 탐지를 달성하기 위한 민감하고 개념적으로 단순한 방법이어서, LIM 자기상관 검출을 검증하는 데 유용한 접근이지만, 여기서 우리가 탐구한 우주론적 및 천체물리학적 매개변수들이 적층에 대해 중첩(변별 불가능)되는 영향을 가지므로, 관련된 은하 트레이서들을 추가로 특성화하기 위해서는 전면적인 교차상관(cross-correlation)이 필요할 가능성이 크다.

본 논문에서는 기계 학습을 사용하여 남극 망원경(South Pole Telescope, SPT)의 조준 정확도(pointing accuracy)를 개선한 결과를 제시한다. SPT가 하늘을 정확히 향하도록 하는 능력은 구조적 결함에 의해 제한되며, 이는 남극의 극한 기상 조건의 영향을 받는다. 조준 정확도는 Event Horizon Telescope(EHT)에 참여하여 관측 캠페인을 수행하는 동안 특히 중요하며, 이는 일반적인 SPT 관측보다 더 엄격한 정확도를 요구한다. 우리는 SPT에서 수행된 SPT-3G 및 EHT 수신기 관측의 역사적 데이터로 구성된 훈련 데이터셋을 구축한다. 현재의 기상 조건을 두 개의 망원경 구동 제어 인자(telescope drive control arguments)로 매핑하는 과정을 학습하기 위해 2개의 XGBoost 모델을 훈련한다. 그중 하나는 방위각(azimuth) 오차를 보정하며, 다른 하나는 고도(elevation) 오차를 보정한다. 훈련된 모델은 보류한 테스트 데이터에서 교차고도(cross-elevation) 2[Formula: see text]14, 고도 3[Formula: see text]57의 제곱근 평균제곱오차(root mean squared errors)를 달성하여, 각 축에서의 목표치인 5[Formula: see text]보다 훨씬 낮은 수준을 보였다. 우리는 이러한 모델을 망원경 제어 시스템에 적용하고, 2024년 4월 EHT 관측 캠페인 동안 추가적인 현장(in situ) 테스트 관측을 수행하였다. 그 결과, 모델은 조준 정확도를 유의미하게 향상시켰다. 모델이 가장 잘 훈련된 입력 변수 범위 내의 천체에 대해, 평균 결합 조준 오차는 15[Formula: see text]9에서 10[Formula: see text]6으로 33% 개선되었다. 이러한 개선은 상당하지만 궁극적인 목표에는 미치지 못하였으나, 향후 모델 개발을 위한 시범 개념(proof of concept)으로서의 역할을 한다. SPT의 EHT 수신기에 대한 계획된 업그레이드는 더 엄격한 조준 정확도를 필요로 할 것이며, 이는 본 연구의 방법으로 달성 가능할 것으로 예상된다.

배경. 은하단 군집(클러스터) 풍부도(abundance) 측정은 질량 밀도(Ω m ) 및 밀도 요동의 진폭( σ 8 )과 같은 우주론적 매개변수를 제약하는 데 유용한 도구이다. 광역 관측 조사는 Planck의 경우 총 적분 Sunyaev-Zel’dovich 효과 신호( Y SZ )와 같은 관측 가능한 값을 바탕으로 군집을 탐지한다. 우주론 분석을 위해서는 조사 선택함수(selection function)를 정량화할 필요가 있으며, 완전도(completeness)는 Y SZ 및 각도 스케일 θ 500 과 같은 내재적 특성의 함수로서 군집을 탐지할 확률을 의미한다. 목적. 우리는 삼축(트라이축) 형상과 임의 방향성을 갖는 은하단의 모의 관측(mock observation)을 이용하여, Planck가 선택한 CHEX-MATE 은하단 카탈로그의 완전도를 결정한다. 이때 축비(axial ratio)에 대해서는 물리적으로 동기화된 분포를 사용한다. 이러한 모의 자료로부터 탐지된 군집들의 형상 및 방향성 분포뿐 아니라, 방향성에 의존하는 선택으로 인한 약한 중력렌즈(w weak-lensing)로부터 유도된 질량( M WL )에서의 관련 편향(denoted as 1 − b χ )을 함께 도출한다. 방법. 몬테카를로 방법을 이용하여, 삼축 은하단의 밀도 분포(triaxial cluster profiles)를 Planck 전천 지도(all-sky maps) 내의 임의 위치에 삽입한 뒤 기하학(geometry)과 SZ 밝기(SZ brightness)의 함수로서 완전도를 산출하였다. 이 결과를 바탕으로 1000개의 모의 CHEX-MATE 은하단 카탈로그를 생성하였다. 우리는 이 모의 CHEX-MATE 은하단들에 대해 M WL 를 계산했으며, 질량 및 적색편이 분포가 유사한 무작위로 선택된 동일 크기의 군집 표본에 대해서도 계산을 수행하였다. 결과. 군집의 방향성은 완전도에 영향을 미치며, 시선방향(LOS)으로 늘어진(longitudinal) 군집을 탐지할 확률이 더 높다. 그 결과, CHEX-MATE 군집에서 무작위 모집단(random population) 대비 1 − b χ 값이 0–4% 범위로 나타난다. M WL 의 가장 큰 증가는 가장 낮은 질량의 천체에서 관측되는데, 이들은 방향성 관련 선택 편향의 영향을 가장 크게 받는다. 결론. Planck SZ 선택 카탈로그의 군집은 LOS 방향으로 우선적으로 늘어져 있으며, 무작위로 선택된 군집 표본 대비 M WL 에서 평균 편향을 가진다. 이러한 편향은 CMB-S4와 같은 향후 SZ 관측에 대해 중요하며, Euclid 과 같은 군집 탐지의 다른 수단(probe)을 사용하는 조사에서도 고려되어야 한다.