[論文レビュー] Cluster of Galaxies: An X-ray Perspective

R. F. Mushotzky|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ASCA、Beppo-SAX、Chandra、XMM-Newtonのデータを用いた銀河団のX線観測をレビューし、等温温度プロファイル、団中心部外で一定の鉄含有量、およびLX ∝ T³のスケーリングを示すL–T関係を明らかにした。質量対光度比とガス質量分率は団間で一貫しており、ダークマター核の証拠は見当たらない。また、特に高いNi/Fe比が示すように、元素含有量の特徴は、銀河系パターンとは異なるが、金属増幅にIa型超新星が支配的であることを示している。

ABSTRACT

There has been extensive recent progress in X-ray observations of clusters of galaxies with the analysis of the entire ASCA database and recent new results from Beppo-SAX, Chandra, and XMM-Newton. The temperature profiles of most clusters are isothermal from 0.05--0.6 virial radii, contrary to theoretical expectations and early results from ASCA. Similarly, the abundance profiles of Fe are roughly constant outside the central regions. The luminosity-temperature relation for a very large sample of clusters show that L_X is proportional to T^3 over the whole observable luminosity range at low redshift, but the variance increases at low luminosity, explaining the previously claimed steepening at low luminosity. Recent accurate cluster photometry in red and infrared passbands have resulted in much better correlations of optical and X-ray properties, but there is still larger scatter than one might expect between total light and X-ray temperature and luminosity. The velocity dispersion and the X-ray temperature are strongly correlated, but the slope of the relation is somewhat steeper than expected. The surface brightness profiles of clusters are very well fit by the isothermal beta model out to large radii and show scaling relations, outside the central regions, consistent with a Lambda-dominated Universe.

研究の動機と目的

• 銀河団の最近のX線観測を統合し、その熱力学的構造、質量分布、金属増幅プロセスを理解すること。
• X線光度、温度、質量の間のスケーリング関係を分析することで、宇宙論的モデルを検証すること。
• 団間物質中の元素含有量の起源を調査し、超新星の核合成生成物と比較すること。
• 冷却やフィードバックなどの非重力的プロセスが、銀河団のX線的性質に与える影響を評価すること。

提案手法

• ASCAのX線データベース全体の分析に加え、ChandraおよびXMM-Newtonの高分解能画像および分光測定を組み合わせた分析。
• 表面輝度プロファイルへの等温βモデルの適合を用い、大半の半径にわたり密度および温度プロファイルを導出。
• 流体平衡仮定を適用し、X線温度および密度データから全質量プロファイルを導出。
• XMM-Newtonの高分解能X線グレーティングおよびCCD分光計測を用いて、Fe、Si、S、Ni、O、Ne、Mgの元素含有量を測定。
• 観測された含有量勾配およびスケーリング関係を、シミュレーションと超新星核合成モデルからの理論的予測と比較。
• クラスタの速度分散とX線温度を用いて、質量–温度関係を検証し、理論的予測からのずれを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河団の半径方向温度プロファイルは何か？ また、理論的予測および初期ASCAの結果と比較するとどうなるか？
• RQ2 広範なクラスタサンプルにおいて、X線光度と温度はどのようにスケーリングするか？ 低光度域での観測された散乱はどのように説明できるか？
• RQ3 団間物質中の観測された元素含有量パターンの起源は何か？ 特に高いNi/Fe比とSi/Feトレンドは？
• RQ4 赤方偏移に伴い鉄含有量に進化の兆しなく、含有量勾配はクラスタ間でどのように変化するか？
• RQ5 観測された質量対光度およびガス質量分率のスケーリング関係は、Λ支配の宇宙論的モデルを支持するか？

主な発見

• 温度プロファイルは、0.05から0.6 R_virialの範囲で等温であり、理論的予測および初期ASCAの結果とは矛盾する。
• 鉄含有量プロファイルは、中心部を除き概ね一定であり、z ≈ 0.8までにFe含有量の顕著な進化は認められない。
• X線光度–温度関係は、低赤方偏移域の全可視光度範囲でLX ∝ T³に従い、低光度域で散乱が増加する。
• 質量の大きなクラスタにおけるガス質量分率は一様であり、WMAPの低値Ω_mと整合的であり、ガス対星形成質量比は約10:1である。
• 冷却や加熱を考慮しないシミュレーションの予測よりも、X線データから導かれた質量–温度スケーリング関係は低く、わずかに急勾配である。
• XMM-NewtonおよびChandraのデータは、ダークマター核の証拠を示さず、重力ポテンシャルは100倍のダイナミックレンジにわたりNFWプロファイルと整合的である。