[論文レビュー] Cluster Radio Halos at the crossroads between astrophysics and cosmology in the SKA era

R. Cassano, G. Bernardi+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、乱流再加速と二次電子生成を組み合わせたモンテカルロシミュレーションを用いて、宇宙の歴史にわたる銀河団における巨大電波ハロー（RHs）の出現、スペクトル的性質、検出可能性を予測する。予測によると、SKA1の調査—特に100–300 MHzのSKA1-LOW—は、z ~ 0.6までに約2,500の巨大RHsと約1,000の超急勾配スペクトルハローを検出可能であり、『オフ状態』ハローの初回検出が可能となり、高赤方偏移で質量が約10^14 M⊙程度の銀河団をプローブできるようになる。

ABSTRACT

Giant Radio Halos (RH) are diffuse, Mpc-sized, synchrotron radio sources observed in a fraction of merging galaxy clusters. The current scenario for the origin of RHs assumes that turbulence generated during cluster mergers re-accelerates pre-existing fossil and/or secondary electrons in the intra-cluster-medium (ICM) to the energies necessary to produce the observed radio emission. Moreover, more relaxed clusters could host diffuse "off state" halos produced by secondary electrons. In this Chapter we use Monte Carlo simulations, that combine turbulent-acceleration physics and the generation of secondaries in the ICM, to calculate the occurrence of RHs in the Universe, their spectral properties and connection with properties of the hosting clusters. Predictions for SKA1 surveys are presented at low (100-300 MHz) and mid (1-2 GHz) frequencies assuming the expected sensitivities and spatial resolutions of SKA1. SKA1 will step into an unexplored territory allowing us to study the formation and evolution of RHs in a totally new range of cluster masses and redshift, allowing firm tests of the current theoretical hypothesis. In particular, the combination of SKA1-LOW and SUR will allow the discovery of ~1000 ultrasteep- spectrum halos and to detect for the very first time "off state" RHs. We expect that at least ~2500 giant RHs will be discovered by SKA1-LOW surveys up to z~0.6. Remarkably these surveys will be sensitive to RHs in a cluster mass range (down to ~10^14 solar masses) and redshifts (up to ~1) that are unexplored by current observations. SKA1 surveys will be highly competitive with present and future SZ-surveys in the detection of high-redshift massive objects.

研究の動機と目的

• 銀河団内の拡散的電波ハロー（RHs）の形成と進化を、物理的に根拠のある統計的フレームワークを用いてモデル化すること。
• 特に近い将来のSKA1調査の文脈において、宇宙の歴史にわたるRHsの検出可能性を評価すること。
• 予測された調査感度を用いて、乱流再加速および二次電子モデルがRH形成に実現可能かどうかを検証すること。
• SKA1の電波調査が、高赤方偏移、低質量、および緩和された銀河団の拡散的電波放射を検出する可能性を評価すること。
• SKA1-LOWのクラスタ検出効率を、$L_X$-$z$および$M_{500}$-$z$平面におけるX線（Reflex）およびSZ（Planck）調査と比較すること。

提案手法

• 銀河団内媒体（ICM）における乱流粒子の再加速と二次電子生成を組み合わせたモンテカルロシミュレーションを採用する。
• 電波ハローの出力電力とX線光度およびクラスタ質量の関係を表すスケーリング則 $P_{1.4} \propto L_X^{1.5}$ および $P_{1.4} \propto M_{500}^{3.7}$ を用いる。
• 宇宙の進化モデルに $H_0=70\,\rm km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}$, $\Omega_m=0.3$, $\Omega_\Lambda=0.7$ の$\Lambda$CDM宇宙論を採用する。
• SKA1の性能仕様を用いて、低周波（100–300 MHz）および中周波（1–2 GHz）における検出可能なRHの集団を予測する。
• SKA1-LOWおよびSKA1-SURの感度および分解能の限界を用いて、赤方偏移に依存する最小検出可能ハロー出力電力を推定する。
• SKA1-LOWのクラスタ選択関数を、$L_X$-$z$および$M_{500}$-$z$平面におけるX線（Reflex）およびSZ（Planck）調査と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKA1-LOWおよびSKA1-SURが、宇宙の歴史にわたって検出可能と予想される巨大電波ハローの数とスペクトル分布はどの程度か？
• RQ2 SKA1の調査は『オフ状態』電波ハロー—緩和されたクラスタにおける二次電子からの微弱な拡散放射—を検出可能か？ これにより、クラスタ物理学の新たなプローブが可能になるか？
• RQ3 SKA1によるRHの検出可能性は、現在および将来のX線およびSZ調査と比較して、高赤方偏移、大質量銀河団を同定する上でどの程度優れているか？
• RQ4 現在の半アナリティカルモデルが、合体率およびクラスタ質量関数モデルの制限により、高赤方偏移RHの数を過大または過小に予測している程度はどの程度か？
• RQ5 SKA1-LOWが拡散電波放射を検出可能な最小クラスタ質量および赤方偏移範囲は何か？ これは現在の観測限界をどの程度超えるか？

主な発見

• SKA1-LOWの調査は、赤方偏移 $z \sim 0.6$ までに約2,500の巨大電波ハローを検出可能と予測されており、$\sim 10^{14}$ M$_\odot$程度までに達する、これまで未探索の質量範囲にまで拡張される。
• SKA1-LOWは約1,000の超急勾配スペクトルハローを検出可能と予測されており、この希少な集団の初回観測的確認が可能になる。
• 『オフ状態』電波ハロー—二次電子からの微弱な拡散放射—の検出は、SKA1-LOWで実現可能と予測されており、緩和されたクラスタ物理学をプローブする上で画期的な前進となる。
• SKA1-LOWは、特に $z \geq 0.2$ の場合、現在のX線調査よりも高赤方偏移クラスタに対して感受性が高く、出力電力の急勾配 $P_{1.4} \propto M_{500}^{3.7}$ のスケーリング則のおかげである。
• $M_{500}$-$z$平面におけるSKA1-LOWのクラスタ選択関数は、比較的平坦であり、高赤方偏移の大質量クラスタを検出する面で、Planck SZ調査と同等の性能を示す。
• $z \sim 0.5-0.6$におけるRHの理論的予測は、採用されたPSベースのモンテカルロモデルによる高赤方偏移合体の不足のため、下限と見なされる。今後のモデル改善により、より高い検出数が得られる可能性がある。