[論文レビュー] The Evolution of Galaxy Clusters Across Cosmic Time

M. Arnaud, H. Böhringer+41 more|ArXiv.org|Feb 27, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、提案中のIXOミッションからの高スループット・高分解能X線観測が、銀河団の宇宙的進化を解明するために不可欠であると提唱している。特に、バリオンの力学的挙動、金属の豊度、非熱的過程に注目し、宇宙時間にわたる熱力学的性質、金属の分布、相対論的粒子の放射のマッピングを通じて、ダークマターのポテンシャル内でのエネルギー、金属、乱流の進化を解明することを目的としている。

ABSTRACT

The large scale structure of the present Universe is determined by the growth of dark matter density fluctuations and by the dynamical action of dark energy and dark matter. While much progress has been made in recent years in constraining the cosmological parameters, and in reconstructing the evolution in the large--scale structure of the dark matter distribution, we still lack an understanding of the evolution of the baryonic component of the Universe. Located at nodes of the cosmic web, clusters of galaxies are the largest collapsed structures in the Universe with total masses up to 10$^{15}$ M$_{\sun}$. Over 80% of their mass resides in the form of dark matter. The remaining mass is composed of baryons, most of which (about 85%) is a diffuse, hot plasma that radiates primarily in X-rays. X-ray observations of the evolving cluster population provide a unique opportunity to address such open and fundamental questions as: How do hot diffuse baryons dynamically evolve in dark matter potentials? How and when was the excess energy which we observe in the intergalactic medium generated? What is the cosmic history of heavy-element production and circulation? Our current knowledge comes primarily from detailed studies of clusters in the relatively nearby Universe (z$

研究の動機と目的

• 銀河団内のダークマターのポテンシャル内での高温バリオンガスの力学的進化を理解すること。
• 銀河団内媒体（ICM）における余剰エネルギーの起源と進化を特定すること、これには加熱、乱流、大規模な流れが含まれる。
• 特に銀河風とラム圧ストリッピングを通じて、ICMにおける金属生成と再分配の宇宙的歴史を追跡すること。
• 衝突する銀河団における相対論的粒子と衝撃波からの非熱的圧力支持を測定すること。
• バリオンおよび非熱的成分の正確なモデル化を通じて、クラスタ質量の測定を改善し、宇宙論的制約を強化すること。

提案手法

• 赤方偏移z ~ 2までをカバーする赤方偏移領域における銀河団内媒体（ICM）の熱力学的状態をマッピングするため、高スループット・高分解能X線分光法を用いる。
• カルリメータ機器を用いた空間分解能のあるX線分光法を適用し、金属の分布と含有量パターン（マンガンやクロムなどの微量元素を含む）を測定する。
• 光学、赤外、電波などの多波長観測とX線データを統合し、銀河フィードバック、ラム圧ストリッピング、AGN噴出物の研究を行う。
• 深いX線露出（例：z=0.1のクラスタで約100 ksec）を用いて、物理的スケール約0.5 MpcにわたるICMの性質を高信噪比でマッピングする。
• IXOおよび他の望遠鏡からの観測制約をもとに、多相流体力学とフィードバックのパラメータ化を用いてICMをモデル化する。
• 重力レンズ効果と電波シンクロtron放射のデータを統合し、ダークマターと相対論的粒子集団の追跡を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 階層的クラスタ形成過程における重力エネルギーの放出がICMをどのように加熱し、乱流や大規模な流れを駆動するか。
• RQ2 ICMに観測される相対論的粒子の加速機構と起源は何か、特に衝撃波面や乱流領域において。
• RQ3 ICM内の金属の分布はどのように宇宙時間とともに進化するか。銀河風、ラム圧ストリッピング、またはAGN噴出物のうち、どのプロセスが金属豊度の上昇を支配するか。
• RQ4 非熱的圧力支持がクラスタ質量の測定にどの程度影響を及ぼし、赤方偏移および力学的状態に応じてどのように進化するか。
• RQ5 マンガンやクロムなどの微量元素の含有量パターンは、銀河団内におけるIa型超新星の金属生成の宇宙的歴史をどのように制約するか。

主な発見

• IXOによる高分解能X線分光法により、z ~ 2までの低質量クラスタにおける金属の豊度マッピングが可能となり、ICM内の空間的不均一性が解明可能となる。
• 貧弱なクラスタではz ~ 1まで、大質量クラスタではz ~ 2まで、元素含有量プロファイルを測定可能となり、核合成の宇宙的歴史に関する制約が得られる。
• 近距離クラスタの2次元金属の分布は、物理的混合スケールまで分解可能であり、ラム圧ストリップドテイルからの金属注入（例：M86）を直接研究可能となる。
• マンガンやクロムなどの微量元素は、多数のクラスタで測定可能となり、SNe Iaの前身星の金属の豊度に関する新たな制約が得られる。
• 金属の分布が一様でない仮定をすると、クラスタ内の真の金属質量が低く見積もられることを示しており、空間分解能のある含有量測定の必要性が強調される。
• IXOの高エネルギー分解能により、ICM内の速度場および乱流が検出可能となり、衝突するクラスタ内での高温ガスの力学的挙動を直接的に探査可能となる。