[論文レビュー] On the prospect of discovering `galaxy groups' through radio observations

Surajit Paul, Prateek Gupta+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、宇宙論的流体力学シミュレーション（ENZO）を用いて、銀河団および銀河群のための新しい電波放射モデルを提示する。このモデルは、拡散的衝撃加速（DSA）と乱流再加速（TRA）を組み合わせ、シンクロトロン放射を計算する。その結果、質量-電波パワースケーリングがより平坦（$M_{500} \propto P_{1.4\text{GHz}}^{2.17\pm0.08}$）であり、$L_X$–$P_{1.4\text{GHz}}$相関が強く、$10^{14}\,M_\odot$未満の団では検出可能な電波放射（約10–100 $\mu$Jy/beam）を予測する。これは、現在および将来の電波望遠鏡（例：SKA、uGMRT）による検出を可能にする。

ABSTRACT

Observed steep mass scaling of radio power from the available high mass clusters has ruled out the prospect of detection of 'galaxy groups'. But, the available simulations and observations of thermal emissions show that the groups are merger prone, thus non-virialised, indicating better visibility in the radio waves. Detection of radio emissions from them would help us to understand the scale-dependent particle acceleration mechanisms also groups can be a unique laboratory to test the models of cosmic magnetism and canbe the potential source of WHIMs. So, we have modelled radio emissions from the simulated structures using {\sc{ENZO}}. We present a model for computing magnetic field and for the first time, used the electron energy spectrum from both the Fermi I (DSA) and Fermi II (TRA) mechanisms to compute radio emissions. Computed radio power from more than 200 simulated objects, mass ranging $\geq 10^{13}$ to $2 imes 10^{15} M_{\odot}$ show a new mass scaling of $M_{500} \propto P_{1.4\;GHz}^{2.17\pm 0.08}$ and a strong correlation scale of $L_X \propto P_{1.4\;GHz}^{1.08\pm 0.05}$. Both magnetic field and radio power are shown to have adequately replicated the available observations at high mass, allowing us to extend the results to further smaller masses. We report that groups below $10^{14}\; m{M_{\odot}}$ show the existence of 10s of nano to a sub-$μ$G magnetic field and about 10$^{19-23}$ W Hz$^{-1}$ of radio power, much higher than what existing mass scaling predicts. We found that the combined radio power from TRA and DSA electrons can only fit very well to all the observed `radio halos'. Finally, we have implemented this model on a real data set obtained from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). It predicts about 10s to 100s $μ$Jy/(10$\arcsec$ beam) of radio flux in groups indicating their detectability with existing and aplenty with the future radio telescopes.

研究の動機と目的

• 低質量銀河群における非熱的電波放射の観測的・理論的理解の不足を解消すること。
• 既存の巨大団から導かれた質量-電波パワースケーリング法則が、銀河群にまで外挿可能かどうかを検証すること。
• 宇宙論的シミュレーションを用いて、DSAおよびTRAメカニズムを併用し、銀河間媒体の電子からの磁場およびシンクロトロン電波放射をモデル化すること。
• 現在および将来の電波望遠鏡による銀河群からの電波放射の検出可能性を評価すること。
• 銀河群が宇宙磁場および欠落しているバリオンの問題（WHIM）の探査に有効であるかを検討すること。

提案手法

• 質量範囲が $10^{13}$ から $2\times10^{15}\,M_\odot$ の銀河団および銀河群を、ENZOコードを用いた宇宙論的流体力学シミュレーションで再現する。
• 乱流駆動の飽和を仮定し、磁場強度を $B \propto \rho^{1/2} v_{\text{turb}}^{1/2}$ とモデル化する。
• DSAおよびTRAメカニズムからの電子エネルギースペクトルを計算し、1.4 GHzにおけるシンクロトロン電波放射を推定する。
• 放射輸送やスペクトル年齢の影響を無視するため、時間固定のシミュレーションスナップショット法を用いる。
• 実際のSDSS団カタログデータに、速度分散および密度のスケーリング関係を適用して電波放射を推定する。
• 高質量領域における観測された $P_{1.4\text{GHz}}$–$L_X$ および $M_{500}$–$P_{1.4\text{GHz}}$ スケーリング関係と比較してモデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨大団で観測された急勾配の質量-電波パワースケーリングにかかわらず、$10^{14}\,M_\odot$未満の銀河群が検出可能な電波放射を発生させ得るか？
• RQ2 DSAとTRAを併用したモデルは、TRA単独よりも、団内の観測された電波ハロー放射をよりよく説明できるか？
• RQ3 低質量銀河群における予測電波放射レベルはどの程度で、現在または将来の電波望遠鏡で検出可能か？
• RQ4 低質量領域における $M_{500}$–$P_{1.4\text{GHz}}$ および $L_X$–$P_{1.4\text{GHz}}$ スケーリング関係はどのように振る舞うか？
• RQ5 銀河群は、宇宙磁場およびWHIMの起源の探査に有効なプローブとして適しているか？

主な発見

• 本モデルは、団および銀河群に対して、より平坦な質量-電波パワースケーリング $M_{500} \propto P_{1.4\text{GHz}}^{2.17\pm0.08}$ を予測する。これは、巨大団で観測された $\sim4$ の急勾配とは異なる。
• X線光度と電波パワーレートの間には強い相関 $L_X \propto P_{1.4\text{GHz}}^{1.08\pm0.05}$ が存在し、観測結果と整合的である。
• $10^{14}\,M_\odot$未満の銀河群では、10nG台から数nG未満の磁場が存在し、乱流ダイナモ理論の検証のための実験的条件を提供する。
• 銀河群の電波パワーレートは $10^{19}$ から $10^{23}$ W Hz$^{-1}$ の範囲にあり、クラスターモデルのみに基づく予測よりも顕著に高い。
• DSA+TRAの併用モデルは、TRA単独よりも、クラスタ内の電波ハロー放射をよりよく再現しており、合体衝撃波の重要な役割を示唆する。
• SDSSベースの実装により、多くの銀河群で約10–100 $\mu$Jy/beamの電波放射が予測され、現在の望遠鏡で約3%が検出可能であり、SKAでは最大20%が検出可能となる。