[論文レビュー] Metal-rich multi-phase gas in M87: AGN-driven metal transport, magnetic-field supported multi-temperature gas, and constraints on non-thermal emission observed with XMM-Newton

A. Simionescu, Norbert Werner+3 more|ArXiv.org|Sep 27, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 67被引用数 62

ひとこと要約

深紫外XMM-Newton X線観測を用いて、本研究ではM87のハローに広がる金属豊富な多相性ガス（0.6–3.2 keV）が、活動銀河核（AGN）に起因する冷却・金属豊富な物質の上昇によって生じることを明らかにした。磁場による熱伝導の抑制によって維持される多温度構造が観測されたことから、AGNは過去30–110 Myrの間に約5×10⁸ M☉の金属豊富なガスを運搬したと推定され、主にIa型超新星と星風に起因するものである。磁場強度は0.5–1.0 μG以上に達している。

ABSTRACT

We use deep (~120 ks) XMM-Newton data of the M87 halo to analyze its spatially resolved temperature structure and chemical composition. We focus particularly on the regions of enhanced X-ray brightness associated with the inner radio lobes, which are known not to be described very well by single-temperature spectral models. Compared to a simple two-temperature fit, we obtain a better and more physical description of the spectra using a model that involves a continuous range of temperatures in each spatial bin. The range of temperatures of the multiphase gas spans ~0.6-3.2 keV. Such a multiphase structure is only possible if thermal conduction is suppressed by magnetic fields. In the multi-temperature regions, we find a correlation between the amount of gas cooler than the surrounding X-ray plasma and the metallicity, and conclude that the cool gas is more metal-rich than the ambient halo. We estimate the average Fe abundance of the cool gas to ~2.2 solar. Our results thus point toward the key role of the active galactic nucleus (AGN) in transporting heavy elements into the intracluster medium. The abundance ratios of O/Si/S/Fe in and outside the X-ray arms are similar, indicating that the dominant fraction of metals in the gas halo was uplifted by AGN outbursts relatively recently compared to the age of M87. Our estimate for the mass of the cool gas is 5e8 M_sun, which probably stems from a mixture of ICM, stellar mass loss, and Type Ia supernova products. ~30-110 Myr are required to produce the observed metals in the cool gas. Finally, we put upper limits on possible non-thermal X-ray emission from M87 and, combining it with the 90 cm radio maps, we put lower limits of around ~0.5-1.0 muG on the magnetic field strength.

研究の動機と目的

• 深紫外XMM-Newtonデータを用いて、M87のハローにおける多相性ガスの空間的に解像された温度構造と化学組成を特徴づけること。
• 特に内側の電波リブに関連する領域において、銀河間媒体（ICM）内の金属豊富なガスの起源と輸送メカニズムを調査すること。
• 磁場が熱伝導を抑制することで観測された多温度ガス構造が維持されているかどうかを検証すること。
• 電波-X線相関を用いて非熱的X線放射の上限を制約し、磁場強度の下限を推定すること。
• 冷却ガス内の金属豊度の起源と時間スケールを特定し、星の質量損失、ICM、およびIa型超新星からの寄与を区別すること。

提案手法

• 高エネルギー分解能と空間ビニングを用いた、M87ハローの深紫外（120 ks）XMM-Newton X線観測を実施した。
• 空間ビンごとの多相性ガスをよりよく記述するため、離散的二温度モデルではなく連続的温度分布モデルを採用した。
• 温度、金属量、組成比を空間的に導出するために、多温度熱プラズマモデル（APEC）を用いたスペクトルフィッティングを実施した。
• 観測された多相構造を維持するためには、熱伝導が約30–100の要因で抑制されている必要があると推定し、磁場による抑制を組み込んだ。
• 非熱的X線放射のX線上限と90 cm電波マップを統合し、磁場強度の下限（0.5–1.0 μG）を導出した。
• 冷却ガス（T < 1.5 keV）の質量とその金属量（Fe ≈ 2.2太陽単位）を推定し、起源と形成時間スケールを推察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M87のX線腕で観測された多温度ガス構造（0.6–3.2 keV）の起源は何か？
• RQ2 多相性ガスにおける熱伝導はどの程度抑制されており、磁場はこの構造の維持にどのような役割を果たしているか？
• RQ3 冷却ガス内の金属量（特にFe）は周囲のハローと比べてどう異なるのか？ これは金属の供給源に何を示唆するか？
• RQ4 冷却・金属豊富なガスの質量と化学組成は何か？ また、観測された金属量を生じさせるために必要な時間スケールは何か？
• RQ5 非熱的X線放射と電波データからの制約に基づいて、M87ハローにおける磁場強度の下限は何か？

主な発見

• X線腕に広がる多温度ガス（0.6–3.2 keV）は、離散的二温度モデルよりも連続的温度分布モデルによってより適切に記述される。
• 観測された多相構造を維持するためには、熱伝導が約30–100の要因で抑制されている必要があり、これは顕著な磁場支持を示唆する。
• 冷却ガス（T < 1.5 keV）は周囲のハローよりも金属が豊富であり、Feの割合は約2.2太陽単位に推定される。これはAGN駆動による金属豊富な物質の上昇を示唆する。
• 冷却ガス（T < 1.5 keV）の質量は約5×10⁸ M☉と推定され、そのうち15–50%が星の質量損失およびIa型超新星に起因する。
• 冷却ガスに観測された金属量から、形成時間スケールは約30–110 Myrであると推定され、AGN駆動の上昇は比較的まれな出来事である可能性を示唆する。
• 非熱的X線放射は上限で制約されており、90 cm電波マップと組み合わせることで、磁場強度の下限が0.5–1.0 μGに達することが導かれた。