[論文レビュー] Origin of central abundances in the hot intra-cluster medium - I. Individual and average abundance ratios from XMM-Newton EPIC

François Mernier, J. de Plaa+6 more|Strathprints: The University of Strathclyde institutional repository (University of Strathclyde)|Jun 3, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 57被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、44個の近接したクールコア銀河団、銀河団群、楕円銀河からのXMM-Newton EPICおよびRGSデータを用い、これまでで最も正確なホットな銀河団間媒体（ICM）におけるX/Fe比を測定した。0.6–8 keVの広い温度範囲にわたり、元素比の均一性が確認された。Mn/FeおよびCr/Fe比の4σ以上という最初の明確な検出がなされ、Feの比は0.05r₅₀₀内では20–40%の散らばりを示し、系統的不確実性が統計的不確実性を上回ることが判明し、ICMの元素比精度の現在の観測限界を示した。

ABSTRACT

The hot intra-cluster medium (ICM) is rich in metals, which are synthesized by supernovae (SNe) explosions and accumulate over time into the deep gravitational potential well of clusters of galaxies. Since most of the elements visible in X-rays are formed by type Ia (SNIa) and/or core-collapse (SNcc) supernovae, measuring their abundances gives us direct information on the nucleosynthesis products of billions of SNe since the epoch of the star formation peak (z ~ 2-3). In this study, we use the EPIC and RGS instruments onboard XMM-Newton to measure the abundances of 9 elements (O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca, Fe and Ni) from a sample of 44 nearby cool-core galaxy clusters, groups, and elliptical galaxies. We find that the Fe abundance shows a large scatter (~20-40%) over the sample, within 0.2$r_{500}$ and, especially, 0.05$r_{500}$. Unlike the absolute Fe abundance, the abundance ratios (X/Fe) are quite uniform over the considered temperature range (~0.6-8 keV), and with a limited scatter. In addition to a unprecedented treatment of systematic uncertainties, we provide the most accurate abundance ratios measured so far in the ICM, including Cr/Fe and Mn/Fe that we firmly detect (>4σ with MOS and pn independently). We find that Cr/Fe, Mn/Fe and Ni/Fe, differ significantly from the proto-solar values. However, the large uncertainties in the proto-solar abundances prevent us from making a robust comparison between the local and the intra-cluster chemical enrichments. We also note that, interestingly, and despite the large net exposure time (~4.5 Ms) of our dataset, no line emission feature is seen around ~3.5 keV.

研究の動機と目的

• ホットな銀河団間媒体（ICM）におけるO、Ne、Mg、Si、S、Ar、Ca、Cr、Mn、NiのFeに対する最も正確な元素比を測定すること。
• クールコア系において、広い温度範囲（0.6–8 keV）にわたり、X/Fe元素比が一様であるかどうかを評価すること。
• SNIaおよびSNcc超新星の寄与を評価し、化学的増幅の起源をICMの元素比とプロト太陽値を比較することで調査すること。
• 3.5 keVの放射線線が、以前にステアリックニュートリノの崩壊信号として報告されたが、ICMに存在するかどうかを同定すること。

提案手法

• CHEERSサンプルに属する44個のクールコア銀河団、銀河団群、楕円銀河からのXMM-Newton EPIC（MOSおよびpn）およびRGSスペクトルの分析。
• XSPECを用いたスペクトルフィッティング。APECおよびMEKALプラズマ放射モデルを用い、機器のキャリブレーションおよび背景モデル化に起因する系統的不確実性を詳細に取り扱った。
• Cr や Mn といった低濃度元素の信号対雑音比を向上させるために、0.05r₅₀₀および0.2r₅₀₀半径内での個々のスペクトルをスタックした。
• MOSおよびpn両機器を用いてCr/FeおよびMn/Fe比を独立して測定し、検出の妥当性を確認した。
• 太陽元素比の不確実性を考慮した上で、観測された元素比とプロト太陽値を比較した。
• ダークマター崩壊からの可能性のある線をテストするため、高信号対雑音比のスタックスペクトルを用いて3.5 keV領域を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度が異なるさまざまな銀河団、銀河団群、楕円銀河系において、ICMにおけるX/Fe元素比が一様であるか？
• RQ2 Mn/FeおよびCr/Fe比は、予想される放射強度が低いにもかかわらず、その有意性と信頼性はどの程度高いとされるか？
• RQ3 スタックされたICMスペクトルに3.5 keVの放射線線が検出されないことは、ステアリックニュートリノ崩壊がダークマター候補であるという仮説を挑戦するものか？
• RQ4 X線分光法における系統的不確実性が、特にFeおよび他の主要元素のICM元素比測定の解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測されたICM元素比は、プロト太陽値からどの程度ずれているか？そのずれは、SNIaおよびSNcc超新星の核合成生成物にどのような示唆を与えるか？

主な発見

• O/Fe、Ne/Fe、Mg/Fe、Si/Fe、S/Fe、Ar/Fe、Ca/Fe、Cr/Fe、Mn/Fe、Ni/FeのX/Fe元素比は、0.6–8 keVの温度範囲にわたり、極めて一様であり、さまざまな系において一貫した増幅機構が存在することを示している。
• Cr/FeおよびMn/Fe比は、MOSおよびpn両機器で4σを超える有意性で検出され、ICMにおけるMnの最初の明確な検出を示し、Cr/Fe比の高信頼性な確認がなされた。
• 約450万秒の合計有効露出時間にもかかわらず、3.5 keV付近に放射線線は検出されず、以前にICMにステアリックニュートリノ崩壊信号が存在するとされた主張に反する結果となった。
• Feの比は、特に0.05r₅₀₀内では20–40%の散らばりを示しており、個々の銀河団の歴史や半径方向構造に強く依存していることが示された。
• 系統的不確実性が統計的不確実性を上回っており、適切に取り入れられた場合、ICMのほとんどの元素比はプロト太陽値と整合的である。
• Mn/Fe、Ni/Fe、およびおそらくCr/Feは、太陽系近傍よりもICMで顕著に高い値を示しており、標準モデルとは異なる核合成生成物の可能性を示唆している。