[論文レビュー] Astrophysics and cosmology with galaxy clusters: the WFXT perspective

S. Borgani, P. Rosati+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2010

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、銀河団の広域・深宇宙X線サーベイを可能にするために、広視野X線望遠鏡（WFXT）が、天体物理学および宇宙論の発展に不可欠であると提唱している。高感度と広視野における鋭い空間分解能を併せ持つWFXTにより、エネルギー注入、金属豊度の上昇、クールコア、初期銀河団形成といった重要な問題が解明され、銀河団質量関数の進化と成長率の測定を通じて、宇宙論的パラメータおよび重力理論モデルに対する正確な制約が得られる。

ABSTRACT

We discuss the central role played by the X-ray study of hot baryons within galaxy clusters to reconstruct the assembly of cosmic structures and to trace the past history of star formation and accretion onto supermassive Black Holes (BHs). We shortly review the progress in this field contributed by the current generation of X-ray telescopes. Then, we focus on the outstanding scientific questions that have been opened by observations carried out in the last years and that represent the legacy of Chandra and XMM: (a) When and how is entropy injected into the inter-galactic medium (IGM)? (b) What is the history of metal enrichment of the IGM? (c) What physical mechanisms determine the presence of cool cores in galaxy clusters? (d) How is the appearance of proto-clusters at z~2 related to the peak of star formation activity and BH accretion? (e) What do galaxy clusters tell us about the nature of primordial density perturbations and on the history of their growth? We show that the most efficient observational strategy to address these questions is to carry out a large-area X-ray survey, reaching a sensitivity comparable to that of deep Chandra and XMM pointings, but extending over several thousands of square degrees. A similar survey can only be carried out with a Wide-Field X-ray Telescope (WFXT), which combines a high survey speed with a sharp PSF across the entire FoV. We emphasize the important synergies that WFXT will have with a number of future ground-based and space telescopes, covering from the radio to the X-ray bands. Finally, we discuss the immense legacy value that such a mission will have for extragalactic astronomy at large.

研究の動機と目的

• 広域X線サーベイを用いて、銀河団天体物理学および宇宙論における未解決の問題を解消すること。
• 広視野X線望遠鏡（WFXT）が、大規模な銀河団サーベイに必要な感度と空間分解能を独自に満たすことを示すこと。
• 銀河団質量関数の進化を追跡することで、σ₈および成長指数γを含む宇宙論的パラメータをどのように制約できるかを定量化すること。
• 将来の多波長施設（例：Euclid、JDEM、ALMA、JWST、ACT、SPT、CCAT）とWFXTの相乗効果を確立し、銀河団の包括的同定を可能にすること。
• バリオンサイクル、フィードバック機構、宇宙構造の成長に関する詳細な研究を可能にするレガシーサーベイを提供すること。

提案手法

• WFXTを用いた広域X線サーベイを提案し、全視野にわたり高グレープと安定した点像関数（PSF）を併せ持つ。
• X線の等価光度および温度測定を用いて、コア領域の汚染を最小限に抑えるために、質量プロキシとしてYX = M_gas × Tを導出する。
• 銀河団質量関数と赤方偏移の進化を統計モデル化し、σ₈やγなどの宇宙論的パラメータを制約する。
• 3つのサーベイ領域（1000、3000、10,000 deg²）におけるWFXTサーベイの性能をシミュレーションし、宇宙論的制約を推定する。
• 将来のミッション（Euclid、JDEM、ALMA、JWST、ACT、SPT、CCAT）からの多波長データを統合し、質量の補正と物理モデルの妥当性を検証する。
• X線、SZ効果、弱引力レンズ効果のデータを組み合わせることで、系統誤差を低減した独立した銀河団質量プロファイルを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河団における宇宙間媒体（IGM）にエネルギーがいつ、どのようなメカニズムで注入されるのか？
• RQ2 IGMにおける金属の豊度上昇の宇宙史的歴史は何か？また、星形成およびAGNフィードバックとどのように関連しているか？
• RQ3 クールコアの存在と安定性を決定づける物理的過程は何か？
• RQ4 z ≈ 2におけるプロト銀河団は、星形成のピークおよびブラックホール降着活動とどのように関連しているか？
• RQ5 銀河団の成長とクラスタリングは、初期密度揺らぎの性質および一般相対性理論の妥当性をどのように明らかにするか？

主な発見

• 10,000 deg²のWFXTサーベイは、全宇宙マイクロ波背景（CMB）データセットに相当するσ₈およびγの宇宙論的制約を提供する。
• 1000、3000、10,000 deg²のWFXTサーベイの組み合わせにより、成長指数γおよびパワースペクトル正規化σ₈の制約が顕著に向上する。
• WFXTは、赤方偏移z > 0.5の約2×10⁵個の銀河団を検出可能であり、それらのバリオンサイクルおよびフィードバック過程の詳細な研究が可能になる。
• EuclidやJDEMといった将来のミッションとWFXTの相乗効果により、集団メンバーの分光的確認および高分解能光学画像取得が可能となり、星族および星形成歴史の完全な同定が可能になる。
• WFXTと次世代のミリ波望遠鏡（例：CCAT）からのX線およびサニヤエフ＝ゼルドビッチ（SZ）データを組み合わせることで、非分光的質量プロファイルを独立して得られ、銀河団質量校正における系統誤差が低減される。
• WFXTは、将来のX線観測機器（例：IXO）およびサブミリ波デバイス（例：ALMA）による追跡観測のための優れた標的プールを提供し、高赤方偏移銀河団における不純物およびエネルギー構造の詳細な研究が可能になる。