[論文レビュー] Massive and Refined. II. The statistical properties of turbulent motions in massive galaxy clusters with high spatial resolution

F. Vazza, G. Brunetti+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 95被引用数 95

ひとこと要約

本研究では、20個の巨大銀河団の高解像度自己適合メッシュリファインメントシミュレーションを用いて、団内媒体（ICM）内の乱流運動を分析した。主な合体イベントが合体中の団で熱エネルギーの約20–30％を乱流として注入するのに対し、緩和状態の団ではわずかに約5％の乱流を示す。また、シミュレーションで得られた乱流エネルギーのレベルは、XMM-Newtonの観測上限と一致しており、乱流状態と巨大電波ハロウの存在との強い関連性が示された。

ABSTRACT

We study the properties of chaotic motions in the intra cluster medium using a set of 20 galaxy clusters simulated with large dynamical range, using the Adaptive Mesh Refinement code ENZO (e.g. Norman et al.2007). The adopted setup allows us to study the spectral and spatial properties of turbulent motions in galaxy clusters with unprecedented detail, achieving an maximum available Reynolds number of the order of R=500-1000 for the largest eddies. The correlations between the energy of these motions in the Intra Cluster Medium and the dynamical state of the host systems are studied, and the statistical properties of turbulent motions and their evolution with time support that major merger events are responsible for the injection of the bulk of turbulent kinetic energy inside cluster. Turbulence is found to account for a 20-30 per cent of the thermal energy in merging clusters, while it accounts for a 5 per cent in relaxed clusters. A comparison of the energies of turbulence and motions in our simulated clusters with present upper-limits in real nearby clusters, recently derived with XMM-Newton (Sanders et al.2010), is provided. When the same spatial scales of turbulent motions are compared, the data from simulations result well within the range presently allowed by observations. Finally, we comment on the possibility that turbulence may accelerate relativistic particles leading to the formation of giant radio halos in turbulent (merging) clusters. Based on our simulations we confirm previous semi-analytical studies that suggest that the fraction of turbulent clusters is consistent with that of clusters hosting radio halos.

研究の動機と目的

• これまでにない空間的解像度を用いて、巨大銀河団の団内媒体（ICM）における乱流運動の統計的性質を調査すること。
• 主な合体イベントがICMに乱流運動エネルギーをどれほど注入するかを特定すること。
• XMM-Newtonの観測上限（特に10–50 kpcスケール）と比較し、シミュレーションによる乱流エネルギーのレベルを評価すること。
• 合体中の団における巨大電波ハロウ形成と乱流との関連を調査すること。
• 乱流運動が顕著なクラスターボリュームの割合が、観測された電波ハロウ集団と整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 動的範囲が約550に達する自己適合メッシュリファインメント（AMR）コードENZOを用いて、20個の巨大銀河団をシミュレートし、最大レイノルズ数が約500–1000に達するようにした。
• スケールごとの3次元速度場パワースペクトルを分析し、乱流エネルギーのスケール分布を特徴づけた。特に、$E(k) \sim k^{-5/3 \text{ to } -2}$ の範囲に注目した。
• 速度場の3次構造関数を測定し、乱流スケーリング則とエネルギーのキャスケード行動の妥当性を検証した。
• Sandersら（2010）によるXMM-Newtonデータからの観測上限と比較し、シミュレートされた乱流エネルギー分率（$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}}$）を評価した。
• $z = 0$、$z = 0.3$、$z = 0.6$ における乱流エネルギーの時間的変化を追跡し、合体歴と乱流の減衰 timescale を評価した。
• 空間的広がり（例：$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} > 0.15$ のクラスターボリュームの割合）を評価し、シミュレーションおよび観測における電波ハロウ発生と相関をとった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨大銀河団のICMにおける乱流運動エネルギーの統計的分布は、異なる動的状態においてどのように変化するか？
• RQ2 主な合体イベントがICMに乱流エネルギーをどれほど注入するか？
• RQ3 XMM-Newtonによる現在のX線観測制限（10–50 kpcスケール）と比較して、シミュレーションによる乱流エネルギーのレベルはどの程度か？
• RQ4 どれほどの割合のクラスターボリュームが、巨大電波ハロウの形成に十分なレベルの持続的乱流を示すか？
• RQ5 乱流の存在と巨大電波ハロウの発生との間に統計的相関があるか？

主な発見

• 主な合体イベントが、合体中の団で熱エネルギーの約20–30％を乱流運動エネルギーとして注入する主因である。
• 緩和状態の団では、$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} \sim 5\%$ と著しく低い乱流を示し、動的状態依存性が強いことが示された。
• 10–50 kpcスケールにおけるシミュレーションの乱流エネルギーは、XMM-Newtonの観測上限（特に $E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} \leq 20\%$）と整合的である。
• 速度場のパワースペクトルは、波数の約2桁にわたり $E(k) \sim k^{-5/3 \text{ to } -2}$ を示し、エネルギーのキャスケードが安定的であることを示した。
• 合体中の団の約1/3のボリュームが、Mpcスケールで $E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} > 0.15-0.30$ を示しており、これは巨大電波ハロウを有する観測された巨大団の割合と一致する。
• 最後の主な合体からの遡及時間と現在の乱流レベルとの間に逆相関が見られ、主なイベント後に乱流が時間経過とともに減衰することが示された。