[論文レビュー] Galaxy clusters and the cosmic cycle of baryons across cosmic times

R. Giacconi, S. Borgani+19 more|ArXiv.org|Feb 27, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、銀河団内の高温プラズマを研究することで、時間経過に伴うバリオンの宇宙的循環を追跡するため、広視野X線望遠鏡（WFXT）を用いた広視野X線サーベイを提唱している。本サーベイは、数千平方度にわたる広い領域において高感度と鋭い空間分解能を併せ持つことで、エントロピーの注入、金属の増加、クールコア、およびz~2におけるプロトクラスタの進化といった重要な問題を解明し、銀河間天文学における画期的なレガシーデータを形成する。

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? We show that a highly 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

• 銀河団内の高温バリオンのX線観測を通じて、宇宙構造の形成歴史を理解すること。
• 宇宙空間におけるエントロピーの注入、金属の増加、クールコア形成に関する未解決の問題を解明すること。
• 赤方偏移z~2におけるプロトクラスタと星形成のピークおよび超大質量ブラックホールの降着の関連を調査すること。
• 将来の多波長天文学の基盤となる大面積X線サーベイを確立すること。
• WFXTと将来の地上・宇宙望遠鏡の間の科学的連携が、電磁スペクトル全域でどのように機能するかを示すこと。

提案手法

• 深さがチャンドラおよびXMM-ニュートンの点源観測と同等の感度を持つ広域X線サーベイを提唱する。
• 広い視野（FoV）にわたり鋭いポイントスプレッド関数（PSF）を有する広視野X線望遠鏡（WFXT）を活用する。
• 電波からX線帯域にわたる多波長観測とX線データを統合し、バリオン循環を追跡する。
• サーベイ設計と科学的目標のベンチマークとして、チャンドラおよびXMM-ニュートンの深さX線データを活用する。
• クラスタ内の高温プラズマの統計的および空間的解析を通じて、エントロピーの歴史、金属濃度、冷却過程を推定する。
• クラスタ内バリオンの進化をモデル化し、観測されたX線特性と星形成およびブラックホール降着の歴史を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河団内の宇宙空間に存在する高温プラズマ（IGM）に、エントロピーがいつ、どのような物理的メカニズムで注入されるのか？
• RQ2 IGMにおける金属の増加の歴史的進化は何か？ そして、それは過去の星形成および超新星活動をどのようにトレースするのか？
• RQ3 クールコアの形成と安定性を決定づける物理的プロセスは何か？
• RQ4 赤方偏移z~2におけるプロトクラスタは、宇宙の星形成ピークおよび超大質量ブラックホールの降着ピークとどのように関連しているのか？
• RQ5 活動銀河核（AGN）からのフィードバックが、IGMの熱力学的状態をどのように制御しているのか？

主な発見

• 深さがチャンドラおよびXMM-ニュートンの観測と同等の広域X線サーベイは、時間経過に伴う宇宙バリオン循環をマッピングするために不可欠である。
• WFXTミッションのコンセプトは、広い視野で高効率なサーベイ速度と鋭いPSFを併せ持つ独自の組み合わせを提供し、クラスタ熱力学の大規模な研究を可能にする。
• このようなサーベイにより、IGMのエントロピー歴史が解明され、AGNおよび超新星フィードバックが宇宙時間にわたって及ぼす影響が明らかになる。
• IGM内での金属濃度分布は、z~2における星形成ピークの時代まで遡ることができ、バリオン循環と銀河進化を結びつける手がかりを提供する。
• クールコアの形成は、放射冷却、AGNフィードバック、乱流加熱の複合的プロセスによって支配されており、X線表面輝度および温度プロファイルに観測可能な特徴が現れる。
• WFXTと将来の多波長施設の連携により、銀河間天文学における画期的なレガシーデータセットが創出される。