[論文レビュー] Stability of Cool Cores During Galaxy Cluster Growth: A Joint $Chandra$/SPT Analysis of 67 Galaxy Clusters Along a Common Evolutionary Track Spanning 9 Gyr

F. Ruppin, M. McDonald+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 127被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、チャンドラとSPTのデータを用いたX線/SZ連合解析手法を開発し、赤方偏移 0.3 < z < 1.3 の67個の銀河団において、団内媒体（ICM）の密度プロファイルを測定した。X線表面輝度とSPTのコンプトンパラメータを組み合わせることで、標準的なX線解析に比べて密度プロファイルの不確実性を約5倍低減し、冷却核心の割合とコア密度が、質量が4倍に増加したにもかかわらず9 Gyrにわたり安定していることが明らかになった。これは、赤方偏移とともに冷却核心の割合が増加すると予測する現在の流体力学的シミュレーションとは矛盾する。

ABSTRACT

We present the results of a joint analysis of $Chandra$ X-ray and South Pole Telescope (SPT) SZ observations targeting the first sample of galaxy clusters at $0.3 < z < 1.3$, selected to be the progenitors of well-studied nearby clusters based on their expected accretion rate. We develop a new procedure in order to tackle the analysis challenge that is estimating the intracluster medium (ICM) properties of low-mass and high-redshift clusters with ${\sim}150$ X-ray counts. One of the dominant sources of uncertainty on the ICM density profile estimated with a standard X-ray analysis with such shallow X-ray data is due to the systematic uncertainty associated with the ICM temperature obtained through the analysis of the background-dominated X-ray spectrum. We show that we can decrease the uncertainty on the density profile by a factor ${\sim}5$ with a joint deprojection of the X-ray surface brightness profile measured by $Chandra$ and the SZ integrated Compton parameter available in the SPT cluster catalog. We apply this technique to the whole sample of 67 clusters in order to track the evolution of the ICM core density during cluster growth. We confirm that the evolution of the gas density profile is well modeled by the combination of a fixed core and a self-similarly evolving non-cool core profile. We show that the fraction of cool-cores in this sample is remarkably stable with redshift although clusters have gained a factor ${\sim}4$ in total mass over the past ${\sim}9$ Gyr. This new sample combined with our new X-ray/SZ analysis procedure and extensive multi-wavelength data will allow us to address fundamental shortcomings in our current understanding of cluster formation and evolution at $z > 1$.

研究の動機と目的

• 宇宙時間にわたる冷却核心特性の進化を調査すること。特に、団内媒体（ICM）密度プロファイルの安定性に焦点を当てる。
• 浅いX線データ（約150カウント）と高い背景雑音を伴う低質量・高赤方偏移銀河団におけるICM特性の推定という課題に対処すること。
• 正確なX線分光法に依存せずにICM密度プロファイル推定における系統的不確実性を低減する連合X線/SZ解析手法の開発および検証すること。
• 赤方偏移 z~1.4 で M500 ~2×10¹⁴ M⊙ から始まり、z~0 で M500 ~8×10¹⁴ M⊙ に成長する銀河団において、冷却核心の割合が赤方偏移とともに変化するかを検証すること。
• 将来の多波長研究のための共通の進化経路に沿った67個のクラスタのレガシーデータセットを提供すること。

提案手法

• チャンドラX線表面輝度プロファイルとSPTの統合コンプトンパラメータ（Y）を連合して再投影する手法を用い、ICM密度プロファイルを同時に制約する。
• X線表面輝度とSZ信号を、ICMの共通物理モデル内で統合するフォワードモデリングアプローチを採用し、背景に支配されるX線分光法への依存度を最小限に抑える。
• X線の点 spread 関数を考慮し、再投影中心をX線の重心にずらす。これは、信号対雑音比が低い状況下でもより安定した結果が得られる。
• ICM密度プロファイルは、z > 1.3 で形成された固定された初期コアと、自己相似的に進化する冷却コアでない成分の組み合わせとしてモデル化する。
• 背景に支配されるX線スペクトルに起因する系統的不確実性は、背景に無関係で全電子圧に敏感なSZ信号の補完的制約により低減される。
• シミュレーテッドサンプルを用いて手法の妥当性を検証し、SPTおよびSPTpolカタログの全67個のクラスタに適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が4倍に増加したにもかかわらず、9 Gyrの団成長の間、冷却核心の割合は一定のままであるか？
• RQ2 標準的なX線解析を用いた場合、約150カウントのX線データでのみ得られる低質量・高赤方偏移銀河団（z > 1）のICM密度プロファイルは正確に測定可能か？
• RQ3 連合X線/SZ再投影法は、標準的なX線解析に比べてICM密度プロファイル推定の不確実性をどの程度低減するか？
• RQ4 観測された冷却核心特性の安定性は、高赤方偏移で冷却核心の割合が増加すると予測する現在の流体力学的シミュレーションと整合するか？
• RQ5 67個のプロゲニタークラスタのサンプルは、宇宙時間にわたるICM進化を追跡するための信頼できる進化的シーケンスとして利用可能か？

主な発見

• 連合X線/SZ解析により、ICM密度プロファイルの相対的不確実性が標準的なX線解析に比べて約5倍低減され、正確なX線分光法を要せずとも約20%の不確実性で達成された。
• ICM密度プロファイルは、z > 1.3 で形成された固定コアと自己相似的に進化する非冷却コア成分の組み合わせでよく記述され、コア構造の長期的安定性を示唆している。
• 冷却核心の割合は、赤方偏移範囲 0.3 < z < 1.3 で約60%の一定値を保ち、約9 Gyrの間で質量が4倍に増加しても変化しなかった。
• コア密度の進化は、研究された赤方偏移範囲で一定値と一致しており、中心部ICM特性に顕著な進化がないことを示唆している。
• これらの結果は、赤方偏移とともに冷却核心の割合が増加すると予測する流体力学的シミュレーションと矛盾しており、冷却コアが現在のモデルよりも早く形成される、または高赤方偏移でコア破壊機構がシミュレーションよりも頻発する可能性を示唆している。
• 67個のプロゲニタークラスタのサンプルは、将来のJWST、ALMA、ルービン観測所、および将来のX線ミッションを想定した多波長研究に貴重なリソースを提供する。