[論文レビュー] Non-thermal Origin of the EUV and HEX Excess Emission of the Coma Cluster - the Nature of the Energetic Electrons

T. A. Enßlin, Richard Lieu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 1998

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、へき進銀河団における極端紫外線（EUV）および高エネルギーX線（HEX）過剰放射が、相対論的電子による逆コンプトン（IC）散乱によって生じると提案している。EUV過剰放射は、宇宙マイクロ波背景（CMB）ではなく、星間光へのIC散乱によるものである可能性が高く、HEX過剰放射は、銀河団内媒体（ICM）の電子分布における小さな高エネルギー尾部からのブレムストラーラーユー放射によって生じ、その原因は局所的乱流加速である。この説明により、磁場制約と光子過剰生産の矛盾が解消される。

ABSTRACT

The excess in extreme-ultraviolet (EUV) radiation and high energy X-rays (HEX) of Coma may be modeled by power law spectra. Their origin could be inverse Compton (IC) emission by relativistic electrons. The scattered photon fields can either be the CMB or the starlight of the galaxies within the cluster. If the EUV excess is due to CMB-IC, a strongly inhomogeneous magnetized intra- cluster medium (ICM) is required, in which the density of the relativistic electrons is anticorrelated with the magnetic fields. This could be understood if the electrons were accelerated during a major merger event within the last 2 Gyr and cooled afterwards in the inhomogeneous fields. If the EUV excess is due to starlight-IC, a population of relativistic, very low energy electrons has to be present, with a high energy density. In order to survive Coulomb losses, these electrons have to be separated from the cluster gas by confining magnetic fields. This could be remnant radio plasma from the epoch of violent quasar activity. The observed narrow radial profile of the EUV excess emission is due to the narrow photon distribution for this model. Both models favor very inhomogeneous magnetic field and relativistic electron distributions. IC models for the HEX excess seem to be implausible: CMB-IC leads to a mainly unmagnetized ICM, in contradiction to Faraday rotation measurements. Starlight scattering electrons would overproduce EUV photons due to simultaneously CMB-IC. We propose that the observed HEX excess is due to bremsstrahlung of a small high energy power-law tail of the mainly thermal ICM electron distribution. Such a tail is expected due to in-situ acceleration by turbulence.

研究の動機と目的

• へき進銀河団における説明のつかない極端紫外線（EUV）および高エネルギーX線（HEX）過剰放射の起源を特定すること。
• これらの放射が、相対論的電子による宇宙マイクロ波背景（CMB）光子または星間光への逆コンプトン（IC）散乱によって生じるかどうかを評価すること。
• 磁場制約と電子エネルギー損失メカニズムを踏まえた上で、EUVおよびHEX過剰放射のICモデルの妥当性を評価すること。
• EUV過剰放射の狭い半径プロファイルを説明し、観測されたファラデー回転測定値と調和させること。
• EUV光子の過剰生産や磁場の不一致を回避するHEX過剰放射の代替メカニズムを提案すること。

提案手法

• 相対論的電子のパワー則スペクトルを用いて、EUVおよびHEX過剰放射をモデル化する。
• 相対論的電子がCMBまたは銀河団の星間光を散乱する逆コンプトン（IC）放射を分析し、相対論的電子エネルギー分布と磁場の不均一性を用いる。
• CMB-IC条件下でEUV過剰放射を再現するために必要な電子密度と磁場の反比例関係を評価する。
• クェーサー活動に由来する残存する電波プラズマによる磁場封入によって、非常に低エネルギーの相対論的電子がコールドン損失に対して生存可能であると示唆する。
• 銀河団内媒体（ICM）における熱的電子分布の高エネルギー尾部からのブレムストラーラーユー放射を用いてHEX過剰放射を説明し、その動機は局所的乱流加速である。
• ファラデー回転測定値を組み込み、磁場構造を制約し、磁場のないICM状況を除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 へき進銀河団におけるEUV過剰放射は、相対論的電子による宇宙マイクロ波背景（CMB）光子の逆コンプトン散乱によって説明可能か？
• RQ2 磁場の不均一性と電子エネルギー分布は、CMB-ICモデルにおけるEUV過剰放射にどのような制約を課すか？
• RQ3 星間光-ICモデルはEUV過剰放射に妥当か？また、相対論的電子がコールドン損失に対して生存するためにはどのような条件が必要か？
• RQ4 観測されたEUV過剰放射が狭い半径プロファイルを示すのはなぜか？これは星間光-ICモデルにおける光子場分布とどのように関係するか？
• RQ5 EUV光子の過剰生産やファラデー回転制約に反しない非熱的成分によってHEX過剰放射を説明できるか？

主な発見

• EUV過剰放射は、相対論的電子による銀河団の星間光への逆コンプトン散乱によって最もよく説明され、非常に低エネルギーで高密度の電子が磁場によって閉じ込められている必要がある。
• CMB-ICモデルによるEUV過剰放射は、電子密度と磁場分布が反比例する強く不均一な銀河団内媒体（ICM）を要し、これは合体後の電子加速と冷却と整合的である。
• HEX過剰放射はCMB-ICでは説明できない。これは、磁場のある媒体を要するファラデー回転測定と矛盾するためであり、また星間光-ICではEUV光子の過剰生産が生じるためである。
• HEX過剰放射は、熱的電子分布の小さな高エネルギー尾部からのブレムストラーラーユー放射によって最もよく説明され、銀河団内媒体における局所的乱流加速と整合的である。
• EUV過剰放射の狭い半径プロファイルは、星間光-ICモデルにおける狭い光子エネルギー分布によって自然に説明できる。
• 本研究の結論として、観測された放射は非熱的であり、EUV過剰放射は星間光-ICに起因し、HEX過剰放射は乱流加速された電子尾部のブレムストラーラーユー放射に起因する。