[論文レビュー] The ${\it XMM}$ Cluster Survey: joint modelling of the $L_{ m X}-T$ scaling relation for clusters and groups of galaxies

Leyla Ebrahimpour, P. T. P. Viana+17 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2018

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ひとこと要約

本研究は、団塊からクラスタへの遷移領域をカバーする $L_X$–$T$ スケーリング関係を同時にモデル化する、最大の XMM-Cluster Survey サンプル（353 個のクラスタおよびグループ）を提示する。非標準的モデルに強い統計的根拠は見出されなかったが、正規化の自己相似的進化より速い進化と赤方偏移に伴う散らばりの減少が示唆され、パワー則指数の変化点は約 2 keV 付近に位置し、グループとクラスタの物理的境界が示唆される。

ABSTRACT

We characterize the X-ray luminosity--temperature ($L_{ m X}-T$) relation using a sample of 353 clusters and groups of galaxies with temperatures in excess of 1 keV, spanning the redshift range $0.1 < z < 0.6$, the largest ever assembled for this purpose. All systems are part of the ${\it XMM-Newton}$ Cluster Survey (XCS), and have also been independently identified in Sloan Digital Sky Survey (SDSS) data using the redMaPPer algorithm. We allow for redshift evolution of the normalisation and intrinsic scatter of the $L_{ m X}-T$ relation, as well as, for the first time, the possibility of a temperature-dependent change-point in the exponent of such relation. However, we do not find strong statistical support for deviations from the usual modelling of the $L_{ m X}-T$ relation as a single power-law, where the normalisation evolves self-similarly and the scatter remains constant with time. Nevertheless, assuming {\it a priori} the existence of the type of deviations considered, then faster evolution than the self-similar expectation for the normalisation of the $L_{ m X}-T$ relation is favoured, as well as a decrease with redshift in the scatter about the $L_{ m X}-T$ relation. Further, the preferred location for a change-point is then close to 2 keV, possibly marking the transition between the group and cluster regimes. Our results also indicate an increase in the power-law exponent of the $L_{ m X}-T$ relation when moving from the group to the cluster regime, and faster evolution in the former with respect to the later, driving the temperature-dependent change-point towards higher values with redshift.

研究の動機と目的

• 大規模で均一なサンプルを用いて、クラスタおよびグループの両方をカバーする X線全光度–温度（$L_X$–$T$）スケーリング関係を特徴づけること。
• 特にグループ–クラスタ遷移領域で、$L_X$–$T$ 関係が単一のパワー則モデルから逸脱しているかどうかを検証すること。
• 正規化および $L_X$–$T$ 関係の固有散らばりの赤方偏移による進化、およびパワー則指数における温度依存の変化点の可能性を調査すること。
• 非重力的物理（例：AGNフィードバック）が、グループとクラスタにおける異なるスケーリング行動を駆動しているかどうかを評価すること。
• 特にグループの混入が質量推定値をバイアスする可能性がある場合に、正確なクラスタスケーリング関係のモデル化を確立することで、宇宙論的制約を向上させること。

提案手法

• SDSS における redMaPPer アルゴリズムを用いてクロス識別された、XMM-Newton クラスタ調査（XCS）から得た 353 個の X線検出クラスタおよびグループのサンプルを用い、$T > 1$ keV および $0.1 < z < 0.6$ の範囲を対象とする。
• 赤方偏移による正規化および散らばりの進化、およびパワー則指数における温度依存の変化点を許容する、同時フィッティングを可能にする連合尤度モデルを採用する。
• ベイズ情報基準（BIC）および尤度比検定を用いて、標準的な単一パワー則モデルと、変化点を含むより複雑なモデルを比較し、モデルの性能を評価する。
• 赤方偏移に依存する散らばりおよび正規化の進化を組み込み、進化が自己相似的期待（$ ext{scaling} \propto (1+z)^{-1}$）と整合しているかどうかを検証する。
• パラメータ空間の探索および正規化、勾配、散らばり、変化点位置の事後分布を導出するために、マルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）を用いる。
• 先行研究との比較および自己相似的期待や非重力的物理効果との整合性を検証することで、結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グループ–クラスタ遷移領域において、$L_X$–$T$ 関係は単一パワー則モデルから顕著に逸脱しているか？
• RQ2 $L_X$–$T$ 正規化の赤方偏移による進化は、自己相似的期待と整合しているか、それともより速く進化しているか？
• RQ3 固有散らばりは、動的状態の改善やフィードバック抑制の予想通り、赤方偏移が増加するにつれて減少するか？
• RQ4 パワー則指数における温度依存の変化点の好ましい位置はどこか？そしてそれは物理的グループ–クラスタ境界に対応するか？
• RQ5 グループ領域におけるスケーリング関係は自己相似的期待と比較してどうか？また、グループ領域はクラスタと比較して $L_X$–$T$ 勾配が浅いか？

主な発見

• 自己相似的正規化進化と一定の散らばりを仮定する単一パワー則 $L_X$–$T$ 関係からの逸脱に対して、強い統計的根拠は見出されなかった。
• しかし、このような逸脱が存在すると仮定した場合、正規化の自己相似的進化より速い進化が支持され、固定温度における赤方偏移に伴う X線全光度の増加を示唆する。
• 赤方偏移が増加するにつれて固有散らばりが減少する傾向が統計的に支持され、高赤方偏移でよりきめ細やかな $L_X$–$T$ 相関が得られる。
• パワー則指数における温度依存の変化点の好ましい位置は約 2 keV 付近にあり、グループとクラスタの物理的遷移と整合する。
• クラスタ領域ではパワー則指数が自己相似的期待より急であるのに対し、グループ領域ではより緩やかであることが判明し、グループでは $L_X$–$M$ または $T$–$M$ スケーリングが異なる可能性を示唆する。
• グループ領域における赤方偏移による進化がクラスタ領域よりも速いため、赤方偏移が増加するにつれて変化点の位置はより高い温度にシフトする。