[論文レビュー] On the radio -- X-ray luminosity correlation of radio halos at low radio frequency - Application of the turbulent re-acceleration model

R. Cassano|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2010

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 52被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、乱流再加速モデルによって予測されるが、GHz帯周波数では検出されない超急峻スペクトルの電波ハローが、120 MHzにおける電波–X線輝度相関に与える影響を調査する。モンテカルロシミュレーションを用いて、これらのハローが、1.4 GHzで観測された場合よりも、120 MHzではより急で広がった相関を生じさせることを示している。これは、近い将来のLOFAR調査によって検証可能である。

ABSTRACT

In this paper we show expectations on the radio--X-ray luminosity correlation of radio halos at 120 MHz. According to the "turbulent re-acceleration scenario", low frequency observations are expected to detect a new population of radio halos that, due to their ultra-steep spectra, are missed by present observations at ~ GHz frequencies. These radio halos should also be less luminous than presently observed halos hosted in clusters with the same X-ray luminosity. Making use of Monte Carlo procedures, we show that the presence of these ultra-steep spectrum halos at 120 MHz causes a steepening and a broadening of the correlation between the synchrotron power and the cluster X-ray luminosity with respect to that observed at 1.4 GHz. We investigate the role of future low frequency radio surveys, and find that the upcoming LOFAR surveys will be able to test these expectations.

研究の動機と目的

• 超急峻スペクトルの電波ハロー（GHz帯周波数では検出されない）が、低周波数（120 MHz）における電波–X線輝度相関に与える影響を調査すること。
• 乱流再加速モデルが、これらの検出されないハローのおかげで、低周波数帯における電波–X線相関に顕著な広がりと傾きの増加を予測するかどうかを評価すること。
• 特にLOFARを含む今後の低周波数調査が、乱流再加速シナリオの予測を検証する可能性を評価すること。
• ハローの輝度とスペクトルの急峻化が、銀河団の質量、磁場強度、加速効率にどのように依存するかを定量化すること。
• 現在の調査で低周波数検出が見られないのは、観測バイアスのせいなのか、モデルの失敗のせいなのかを、合成集団シミュレーションを用いて検証すること。

提案手法

• 質量 0.2–6×10¹⁵ M☉ の約1000個の銀河団をモンテカルロシミュレーションでモデル化し、形成歴および合体活動を再現した。
• 乱流再加速モデルを適用し、相対論的電子が銀河団の合体中にMHD乱流によって再エネルギー化されると仮定した。加速効率はパrameter χで定量化された。
• シンクロtronスペクトルのカットオフ周波数 νₛ は、νₛ ∝ Bχ² / (B² + B_cmb²)² で計算された。ここで B_cmb = 3.2(1+z)² μG であり、νₛ はハローが高周波数で検出不能になる周波数の急峻化を決定する。
• モデルでは磁場のスケーリング B ∝ M_v^b を仮定し、参考質量における B_<M> を用い、合体エネルギーの割合 η_t が乱流に割り当てられるとした。
• 各ハローについて、120 MHzにおける電波輝度 P(120) とX線輝度 L_X を計算し、P(120)–L_X 平面上での同時分布をマッピングした。
• LOFAR調査における検出可能性を推定するために、感度限界（ξF ≈ 0.25 mJy/beam）とeBCS、REFLEX、MACS調査からのX線フラックス限界を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.4 GHzで検出されない超急峻スペクトルの電波ハローを含めると、120 MHzにおける電波–X線輝度相関はどのように変化するか？
• RQ2 乱流再加速モデルは、1.4 GHzの相関と比較して、120 MHzにおけるP(120)–L_X相関がより急で広がっていると予測する程度はどの程度か？
• RQ3 実際の感度と天の川カバー範囲を考慮した場合、近い将来のLOFAR調査で予想されるこれらの低周波数ハローの数と検出可能性はどの程度か？
• RQ4 スペクトルカットオフ周波数 νₛ は、銀河団の質量、磁場、および宇宙マイクロ波背景放射エネルギー密度にどのように依存するか？
• RQ5 1.4 GHzにおける観測された電波–X線相関は、高効率ハローに偏っている可能性があり、低周波数調査がそのデゲネラシーを解消できるか？

主な発見

• 超急峻スペクトルハローを含めることで、120 MHzにおける電波–X線輝度相関は、1.4 GHzと比較して顕著に急峻（Δα ≈ 0.4）かつ広がっていると予測される。
• 低輝度領域におけるP(120)–L_X平面の散らばりは、より低輝度で低質量銀河団に多く見られる超急峻スペクトルハローが支配している。
• 検出可能な超急峻スペクトルハローの数は、調査の感度が向上するにつれて増加し、低周波数帯での観測相関がさらに急峻になる。
• 現在の1.4 GHz調査（例：C+D配置のVLA）では、これらのハローの多くは検出されない。なぜなら、それらの電波フレックスは通常の検出限界（3–4 mJy）を下回っているためである。
• νₛ ≈ 1200 MHz のアベル521のハローは、予測される超急峻スペクトル集団の中で最も平坦なスペクトルの一つであり、高効率の稀なケースである可能性がある。
• モデルは、LOFAR調査がP(120)–L_X相関の急峻化と広がりを検出可能であり、乱流再加速シナリオの主要なテストとなると予測している。