[論文レビュー] Non-thermal emission and dynamical state of massive galaxy clusters from CLASH sample

M. Pandey-Pommier, Johan Richard+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、CLASH調査の14個の巨大銀河団を、多波長データ（GMRT、Chandra、HST）を用いて分析し、非熱的電波放射とX線および弱引力レンズ質量マップから推定される力学的状態の関連を検討した。その結果、超急勾配スペクトル電波ハロー（α < -1.5）およびずれた電波-質量ピークは、進行中の衝突を示しており、クールコア団ではX線、電波、質量ピークが一致しており、安定状態を示している。これは、安定状態の系においてバリオンとダークマターの強い結合が存在することを示している。

ABSTRACT

Massive galaxy clusters are the most violent large scale structures undergoing merger events in the Universe. Based upon their morphological properties in X-rays, they are classified as un-relaxed and relaxed clusters and often host (a fraction of them) different types of non-thermal radio emitting components, viz., haloes, mini-haloes, relics and phoenix within their Intra Cluster Medium (ICM). The radio haloes show steep (alpha = -1.2) and ultra steep (alpha &lt; -1.5) spectral properties at low radio frequencies, giving important insights on the merger (pre or post) state of the cluster. Ultra steep spectrum radio halo emissions are rare and expected to be the dominating population to be discovered via LOFAR and SKA in the future. Further, the distribution of matter (morphological information), alignment of hot X-ray emitting gas from the ICM with the total mass (dark + baryonic matter) and the bright cluster galaxy (BCG) is generally used to study the dynamical state of the cluster. We present here a multi wavelength study on 14 massive clusters from the CLASH survey and show the correlation between the state of their merger in X-ray and spectral properties (1.4 GHz - 150 MHz) at radio wavelengths. Using the optical data we also discuss about the gas-mass alignment, in order to understand the interplay between dark and baryonic matter in massive galaxy clusters.

研究の動機と目的

• 巨大銀河団の非熱的電波放射と力学的状態との相関を調査すること。
• 衝突活動が、銀河団内物質（ICM）における拡散的電波放射のスペクトル特性（スペクトル指数）および形態に与える影響を特定すること。
• X線放射ガス、全質量（ダークマター＋バリオン）および電波放射の配置の整合性を検討し、団の衝突過程におけるダークマターとバリオンの相互作用を推察すること。
• 超急勾配スペクトル電波ハロー（USSR）を特定・特徴づけ、衝突後の状態または激しい衝突段階の指標とすること。
• 団のコア状態（クールコア対非クールコア）が、拡散的電波放射の空間的分布およびスペクトル特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 150 MHzから1.4 GHzまでのスペクトル指数（α）を導出するため、低周波GMRT観測と高周波VLAデータを用いた。
• ChandraからのX線データを用いて、形態的状態（クールコア対非クールコア）およびX線放射の重心シフトを評価した。
• HSTおよびMUSEデータを用いた弱引力レンズ解析を適用し、全質量マップを再構築することで、ダークマターの分布を明らかにした。
• GMRTの電波等高線、ChandraのX線放射、およびレンズ法による全質量マップを重ね合わせ、電波、X線、質量ピークの空間的整合性を検討した。
• 電波形態（ハロー、ミニハロー、レリーフ、フェニックス）およびスペクトル指数の値に基づき、衝突段階（衝突前／後）を分類した。
• X線重心シフト（500 kpcの開口内でのX線ピークと重心の投影距離の標準偏差）を用いて、団の緩和度を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨大団における拡散的電波放射のスペクトル指数は、その力学的状態（緩和済み対非緩和済み）とどのように相関するか？
• RQ2 クールコアおよび非クールコア団において、電波放射、X線放射ガス、全質量（ダークマター）の空間的関係はいかなるものか？
• RQ3 超急勾配スペクトル電波ハロー（α < -1.5）は、主な衝突中または衝突後期段階にある団に特異的に見られるか？
• RQ4 X線、電波、質量ピークの整合性は、衝突活動の度合いおよびバリオンとダークマターの結合度をどのように反映しているか？
• RQ5 電波ピークと質量ピークのずれは、団の力学的状態および進化段階について何を示唆しているか？

主な発見

• 14個の団のうち5個で超急勾配スペクトル電波ハロー（USSR）が検出され、スペクトル指数α₁₄₀₀/₂₃₅ < -1.5であった。これは、これらがおそらく衝突後の段階または晩期の衝突段階にあることを示唆している。
• RX J1532+3021 や MACS J0329-0211 などの6個のクールコア（CC）団では、X線、電波（ミニハロー）、全質量ピークが一致しており、衝突活動が最小限の安定状態を示している。
• MACS J0416.1-2403 や MACS J1149.5+2223 などの非クールコア（NCC）団では、電波ハローと全質量ピークがずれており、進行中または最近の衝突活動を示している。
• 巨大電波ハローを有するクールコア団であるAbell 209では、電波ピークと質量ピークがずれているが、X線ピークと質量ピークは一致しており、激しい衝突に続くNCCからCCへの遷移段階にある可能性を示唆している。
• X線重心シフトは、CC団（平均シフト < 100 kpc）がNCC団よりも小さく、より安定した状態であることを確認しており、X線の集中度が全質量の集中度よりも高い。
• 全質量マップ（主にダークマター）は、X線マップ（バリオン物質）よりも中心部の集中度が低く、衝突のないダークマターと、衝突を伴うバリオン物質の性質を確認している。