[論文レビュー] Radio Halos of Galaxy Clusters from Hadronic Secondary Electron Injection in Realistic Magnetic Field Configurations

Klaus Dolag, T. A. Enßlin|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、銀河団における電波ハロが、宇宙線陽子（CRp）と団内媒体（ICM）とのハドロニクス的相互作用によって生成される二次電子のシンクロtron放射に起因すると提案している。宇宙論的磁気流体力学（MHD）シミュレーションを用い、現実的な磁場構造を組み込むことで、CRpエネルギー密度と熱的ICMエネルギー密度の比が4–14%（$E_{\rm p,min}^{-0.375}$でスケーリング）の定数比である場合、コンマ銀河団の電波放射度、半径方向分布、低偏光度、および$T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$関係を再現できることを示している。また、今後の観測で検出可能なガンマ線およびニュートリノフラックスを予測している。

ABSTRACT

We investigate the possibility that radio halos of clusters of galaxies are caused by synchrotron emission of cosmic ray electrons (CRe), which were produced by cosmic ray protons (CRp) interacting hadronically with the intra-cluster medium (ICM) protons. We perform cosmological magneto-hydrodynamics (MHD) simulations to obtain a sample of ten magnetized galaxy clusters. They provide realistic models of the gas and magnetic field distribution, needed to predict the CRe production rates, their cooling, and their synchrotron emissivity. We assume a CRp population within the ICM with an energy density which has a constant ratio to thermal energy density. This ratio is adjusted in such a way that one of the simulated clusters reproduces the radio luminosity of the radio halo of the Coma cluster of galaxies. Our model exhibits the observed low degree of radio polarization and has a similar radial emission profile as the Coma cluster. We provide estimates for the expected gamma ray and neutrino flux. The necessary CRp/thermal energy ratio is 4 ... 14% ${(E_{p,min}/GeV)}^{-0.375}$ (for the range of magnetic field strengths suggested by Faraday measurements), where $E_{p,min}$ is the lower kinetic energy cutoff of the CRp with spectral index $\\alpha_p \\approx 2.375$. Assuming this ratio to be the same in the whole set of simulated clusters a $T_x-L_\ u$ relation is predicted which follows the observed relation well.

研究の動機と目的

• 銀河団の電波ハロが、宇宙線陽子（CRp）と団内媒体（ICM）とのハドロニクス的相互作用によって生成される二次電子のシンクロtron放射によって説明可能かどうかを検証すること。
• 一様な磁場を仮定した先行モデルとは対照的に、現実的で不均一な磁場配置が電波ハロの形状および偏光に与える影響を調査すること。
• 特にコンマ銀河団を対象として、観測された電波放射度を再現するためのCRp対熱的エネルギー比を特定すること。
• 同一のハドロニクス的過程から生じるガンマ線およびニュートリノ放射を予測し、観測限界と比較すること。
• シミュレートされた銀河団のサンプル全体で観測された$T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$相関関係をモデルが再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 宇宙論的磁気流体力学（MHD）シミュレーションを用いて、自己一貫性のあるガスおよび磁場分布を持つ10の現実的な銀河団モデルを生成した。
• 磁場構造は、種まき磁場の増幅シミュレーションから得られ、Faraday回転測定と整合する不均一で現実的な配置をとった。
• 全銀河団にわたってCRpエネルギー密度と熱的ICMエネルギー密度の比を一定と仮定し、シミュレートされたコンマ型銀河団の電波放射度を観測値に一致させるように正規化した。
• 二次電子生成は、CRpとICM陽子とのハドロニクス的相互作用をモデル化し、指数$\alpha_{\rm p} \approx 2.375$の単一のパワーロー法スペクトルを仮定した。
• シンクロtron発光度および冷却時間は、シミュレートされた磁場と電子エネルギースペクトルを用いて計算したが、顕著な再加速や拡산は考慮しなかった。
• ガンマ線およびニュートリノフラックスは、同一のハドロニクス的相互作用で生成されるチャージドパイオンの崩壊から推定した。この際、導出された陽子スペクトルと磁場依存エネルギー損失率を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CRp–ICM相互作用から生じる二次電子によるハドロニクス的起源の電波ハロが、現実的な磁場内でも、コンマ銀河団の電波ハロの観測された半径方向強度分布を再現できるか？
• RQ2 現実的な磁場配置のもとで、コンマ銀河団の1.4 GHz放射度を再現するためのCRp対熱的エネルギー比はどの程度か？
• RQ3 モデルは観測された偏光度と整合するか？また、その偏光度は主に磁場のトポロジーによって決定されるか？
• RQ4 このモデルは、シミュレートされた銀河団のサンプル全体で観測された$T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$相関関係を再現できるか？
• RQ5 このようなハドロニクス的メカニズムから予想されるガンマ線およびニュートリノフラックスはどの程度か？また、現在および将来の観測限界と比較するとどうなるか？

主な発見

• コンマ銀河団の1.4 GHz放射度を再現するには、$(E_{\rm p,min}/{\rm GeV})^{-0.375}$でスケーリングされたCRp対熱的エネルギー比が4–14%である必要がある。
• コンマ型銀河団におけるシミュレートされた電波ハロは、観測されたコンマ銀河団の電波ハロの半径分布とよく一致している。
• モデルは約$10^{-6}$の電波偏光度を予測しており、銀河団電波ハロの低偏光度と整合しており、主に不均一な磁場構造に起因する。
• シミュレートされたコンマ型銀河団における電波・X線表面輝度の点対点相関関係の勾配は$b \approx 1.26$であり、観測関係（$b \leq 1$）よりも急である。これは、ハドロニクス的モデルが正しい場合、CRpエネルギー密度が熱ガスよりも空間的に広がっている必要があることを示唆している。
• 全シミュレーション銀河団サンプルにおいて、全銀河団で一定のCRp対熱的エネルギー比を仮定した場合、観測された$T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$関係が驚くほどよく再現された。
• コンマ型銀河団からの予測ガンマ線フラックスは100 MeV以上で$\leq 5.2 \times 10^{-8}\, {\rm cm^{-2}\,s^{-1}}$であり、EGRETの上限と同等の大きさである。現在の機器では検出限界を下回るが、将来的な観測機器では検出可能である可能性がある。