[論文レビュー] The X-ray/SZ view of the virial region. I. Thermodynamic properties

D. Eckert, S. Molendi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 80被引用数 50

ひとこと要約

本研究は、X線スペクトロスコピーに依存せずに、PlanckのSZ圧力測定とROSATのX線ガス密度データを組み合わせることで、銀河団の準拡散半径にまでX線温度およびエントロピーのプロファイルを再構築する。その結果、ガスの枯渇を補正した場合、重力的崩壊に一致するようにエントロピーが半径に伴い滑らかに増加することが判明した。特に、緩和されたクールコア銀河団において顕著であり、過去の外縁部におけるエントロピー抑制の主張に反する。

ABSTRACT

We measure the thermodynamic properties of cluster outer regions to provide constraints on the processes that rule the formation of large scale structures. We derived the thermodynamic properties of the intracluster gas (temperature, entropy) by combining the SZ thermal pressure from Planck and the X-ray gas density from ROSAT. This method allowed us to reconstruct for the first time temperature and entropy profiles out to the virial radius and beyond in a large sample of objects. At variance with several recent Suzaku studies, we find that the entropy rises steadily with radius, albeit at at a somewhat lower rate than predicted by self-similar expectations. We note significant differences between relaxed, cool-core systems and unrelaxed clusters in the outer regions. Relaxed systems appear to follow the self-similar expectations more closely than perturbed objects. Our results indicate that the well-known entropy excess observed in cluster cores extends well beyond the central regions. When correcting for the gas depletion, the observed entropy profiles agree with the prediction from gravitational collapse only, especially for cool-core clusters.

研究の動機と目的

• X線スペクトロスコピーが限界となるR500を超える銀河団外縁部における、銀河団内媒体（ICM）の熱力学的性質（温度、エントロピー）を測定すること。
• 非重力的過程（例：乱流、宇宙線、凝集）が、準拡散領域におけるICMの性質に与える影響を評価すること。
• 観測されたエントロピープロファイルが、自己相似的期待と乖離しているか、あるいはガスの枯渇補正を施した場合に重力的崩壊と整合するかを検証すること。
• 緩和されたクールコア（CC）と非緩和されたノンクールコア（NCC）銀河団が、大半径領域でどのように異なる熱力学的挙動を示すかを比較すること。
• X線スペクトロスコピーのSN比が低い領域への応用に依存しない、SZとX線データを用いた温度およびエントロピープロファイル再構築法の妥当性を検証すること。

提案手法

• Planck衛星のスタックされた熱的サンヤエフ＝ゼルドビッチ（SZ）圧力プロファイルと、ROSAT PSPCのX線ガス密度プロファイルを組み合わせ、熱力学的量を推定する。
• 状態方程式 $ P_e = n_e k_B T $ を用い、熱的平衡を仮定して、SZ圧力とX線密度から電子温度を導出する。
• 径方向依存性をパラメトリックモデルで表現し、投影されたX線表面輝度を3次元ガス密度プロファイルに再構築するための再投影法を適用する。
• 信号対雑音比を外縁部で向上させるために、62個の銀河団（Planck）とROSATとで共通する18個の個別システムを用いた平均化アプローチを採用する。
• シミュレーションから得られる枯渇率 $ f_{\text{dep}} $ を用いて、ガスの枯渇を補正するための関係式 $ K_{\text{corr}} = K_{\text{obs}} \times (1 - f_{\text{dep}})^{-5/3} $ を適用する。
• Suzakuからのスペクトロスコピック測定と再構築された温度プロファイルを比較し、10%以内の一致を確認することで、手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ICMのエントロピープロファイルは、準拡散半径に達するまで半径とともにどのように変化するか。また、自己相似的期待と乖離するか？
• RQ2 緩和されたクールコア（CC）と非緩和されたノンクールコア（NCC）銀河団は、外縁部で異なる熱力学的挙動を示すか？
• RQ3 非熱的圧力支持やガスの凝集が、準拡散領域における観測されたエントロピーおよび温度プロファイルにどの程度影響を及えるか？
• RQ4 SZとX線データの組み合わせにより、X線スペクトロスコピーの到達限界を超えて、温度およびエントロピープロファイルを信頼性高く再構築できるか？
• RQ5 銀河団コアにおける観測されたエントロピー過剰は、準拡散領域にまで及ぶのか。また、それは重力的崩壊モデルとどのように関係するか？

主な発見

• 再構築された温度プロファイルは、$[0.5-2]R_{500}$ の範囲で $ T(r) \propto r^{-0.51 \pm 0.06} $ に従い、$ R_{200} $ における温度は $ 0.2R_{500} $ における約2.5倍低い。
• エントロピーは半径に伴い滑らかに増加し、自己相似的期待よりも勾配がやや平らであるが、ガスの枯渇補正を施した場合、シミュレーションと整合的である。
• ガスの枯渇補正後、CCおよびNCC両銀河団のエントロピープロファイルは、純粋な重力的崩壊の予測とほぼ一致し、特に緩和された系で顕著である。
• 多項指数は平均で $ \gamma \approx 1.2 $ であり、CCおよびNCC間で有意な差は認められず、理論的期待と整合的である。
• NCC系では、$ R_{200} $ における観測された自己相似的エントロピープロファイルからのずれは、凝集因子 $ \sqrt{C} = 1.23 \pm 0.06 $ と整合的であり、シミュレーションの予測範囲内にある。
• 非熱的エネルギー注入（例：乱流、宇宙線）がCCおよびNCCプロファイルの差を説明できる可能性はあるが、両集団間で温度差が認められないことから、この解釈はあまり支持されないものの、完全には除外されない。