[論文レビュー] The Hot and Energetic Universe: The astrophysics of galaxy groups and clusters

S. Ettori, G. W. Pratt+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、アテナ＋X線望遠鏡が、画質およびスペクトル分解能の面で未曾有の性能を発揮することで、銀河団および銀河群の高温で希薄な団内媒体（ICM）を解明し、大規模構造形成におけるバリオンの降着、エネルギー生成、金属循環に関する根本的な問いに答える可能性を提案している。

ABSTRACT

As the nodes of the cosmic web, clusters of galaxies trace the large-scale distribution of matter in the Universe. They are thus privileged sites in which to investigate the complex physics of structure formation. However, the complete story of how these structures grow, and how they dissipate the gravitational and non-thermal components of their energy budget over cosmic time, is still beyond our grasp. Fundamental questions such as How do hot diffuse baryons accrete and dynamically evolve in dark matter potentials? How and when was the energy that we observe in the ICM generated and distributed? Where and when are heavy elements produced and how are they circulated? are still unanswered. Most of the cluster baryons exists in the form of a diffuse, hot, metal-enriched plasma that radiates primarily in the X-ray band (the intracluster medium, ICM), allowing the X-ray observations of the evolving cluster population to provide a unique opportunity to address these topics. Athena+ with its large collecting area and unprecedented combination of high spectral and angular resolution offers the only way to make major advances in answering these questions. Athena+ will show how the baryonic gas evolves in the dark matter potential wells by studying the motions and turbulence in the ICM. Athena+ will be able to resolve the accreting region both spatially and spectroscopically, probing the true nature and physical state of the X-ray emitting plasma. Athena+ has the capabilities to permit a definitive understanding of the formation and evolution of large-scale cosmic structure through the study of the cluster population.

研究の動機と目的

• 大規模構造形成を理解するための鍵となる銀河群および銀河団の天体物理学を調査すること。
• ダークマターのポテンシャルウエル内での高温バリオンの降着と進化に関する未解決の問いを解明すること。
• 団内媒体（ICM）における非熱的および重力的エネルギーの起源、分布、役割を特定すること。
• 宇宙の歴史にわたる重元素の生成およびICM内での循環を追跡すること。
• 銀河団集団の高分解能X線観測を通じて、宇宙の大規模構造進化の決定的かつ包括的な理解を実現すること。

提案手法

• アテナ＋の大きな集光面積と高スペクトル・空間分解能を活用し、高温で希薄なICMからのX線放射を研究すること。
• ICMの空間的および分光的性質を分析し、プラズマの運動、乱流、熱的状態を解明すること。
• 多波長X線データを用いて降着領域を解像し、X線放射プラズマの物理的状態を特定すること。
• クラスタ環境における流体力学的およびエネルギー輸送の理論的モデルと観測を統合すること。
• 高度なスペクトルフィッティング技術を用いて、ICM内の温度、密度、金属量、全体速度を測定すること。
• 銀河団集団の深紫外・赤外・X線スキャンを活用し、バリオン的および非バリオン的成分の宇宙的進化を追跡すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温で希薄なバリオンは、どのようにダークマターのポテンシャルウエル内に降着し、動的に進化するのか？
• RQ2 ICMに観測されるエネルギーは、いつ、どのようにして生成され、クラスタスケールにわたって分布したのか？
• RQ3 重元素はどこで、いつ生成され、ICM内にどのように循環するのか？
• RQ4 クラスタの降着領域におけるX線放射プラズマの真の物理的状態と性質は何か？
• RQ5 ICM内での乱流運動および全体流れは、銀河群および銀河団の熱力学的進化にどのように影響を与えるのか？

主な発見

• アテナ＋は、高空間分解能および高スペクトル分解能を備えており、銀河団内の降着プラズマを直接測定可能で、流入速度および乱流を直接測定できる。
• この望遠鏡は、ICM内の温度勾配、密度勾配、金属量勾配を高精度で制約し、プラズマの熱力学的状態を明らかにする。
• アテナ＋は、ICM内での全体流れおよび衝撃波を検出可能であり、クラスタ形成過程におけるエネルギー伝達メカニズムの理解に貢献する。
• このミッションは、宇宙線や磁場といった非熱的エネルギー成分の分布を、X線放射およびスペクトル特徴を通じてマップする。
• 多数の銀河団をスキャンすることで、バリオン的物質およびエネルギー予算の宇宙的進化に関する統計的分析が可能になる。
• アテナ＋の高い感度により、ICM内での微弱で表面密度が低い構造を検出可能となり、これまでに観測されなかった降着およびフィードバックの痕跡が明らかになる。