[論文レビュー] X-Ray Detection of the Galaxy's Missing Baryons in the Circum-Galactic Medium of L$^*$ Galaxies

F. Nicastro, Y. Krongold+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、L∗銀河のスタックされたXMM-NewtonおよびChandraスペクトルにおけるO vii Kα吸収の、最初の高信頼性検出（4.2–5.6σ）を報告している。これは、対応する温度log T ≈ 5.8–6.3 K（T ≈ 10⁶ K）の高温で、準拠銀河系媒体（CGM）が、銀河のハロー内で非弾性的（virialized）に存在することを示しており、検出されたX線ハローは、典型的なL∗銀河における欠落しているバリオンの70–120%を含んでいる。これは、長年の銀河のバリオン欠落問題の主要な構成要素を解消するものである。

ABSTRACT

The amount of baryons hosted in the disks of galaxies is lower than expected based on the mass of their dark-matter halos and the fraction of baryon-to-total matter in the universe, giving rise to the so called galaxy missing-baryon problem. The presence of cool circum-galactic matter gravitationally bound to its galaxy's halo up to distances of at least ten times the size of the galaxy's disk, mitigates the problem but is far from being sufficient for its solution. It has instead been suggested, that the galaxy missing baryons may hide in a much hotter gaseous phase of the circum-galactic medium, possibly near the halo virial temperature and co-existing with the cool phase. Here we exploit the best available X-ray spectra of known cool circum-galactic absorbers of L$^*$ galaxies to report the first direct high-statistical-significance (best estimates ranging from $4.2-5.6σ$, depending on fitting methodology)} detection of associated OVII absorption in the stacked XMM and Chandra spectra of three quasars. We show that these absorbers trace hot medium in the X-ray halo of these systems, at logT(in k)$\simeq 5.8-6.3$ K (comprising the halo virial temperature T$_{vir} \simeq 10^6$ K). We estimate masses of the X-ray halo within 1 virial radius within the interval M$_{hot-CGM}\simeq (1-1.7) imes 10^{11} (Z/0.3 Z_{\odot})^{-1}$ M$_{\odot}$. For these systems, this corresponds to galaxy missing baryon fractions in the range $ξ_b = M_{hot-CGM}/M_{missing}\simeq (0.7-1.2) (Z/0.3 Z_{\odot})^{-1}$, thus potentially closing the galaxy baryon census in typical L$^*$ galaxies. Our measurements contribute significantly to the solution of the long-standing galaxy missing baryon problem and to the understanding of the continuous cycle of baryons in-and-out of galaxies throughout the life of the universe.

研究の動機と目的

• 銀河ディスクにおける観測されたバリオンが、宇宙論的予測に比べて不足しているという銀河のバリオン欠落問題を解消すること。
• 欠落しているバリオンが、銀河ハローの非弾性的温度に近い高温で、準拠銀河系媒体（CGM）の非弾性的状態に存在するという仮説を検証すること。
• クェーサー吸収ラインの高分解能X線分光法を用いて、高温CGM相を検出し、その特徴を特定すること。
• L∗銀河における高温CGMの質量とバリオン分率を推定し、全欠落バリオン予算に対する寄与度を評価すること。

提案手法

• 冷却CGM吸収体が既知のL∗銀河の背後に位置する3つのクェーサーの、XMM-Newton（RGS）およびChandra（LETG）観測からのスタックされたX線スペクトル。
• O vii KαおよびKβ吸収線（静止系波長18.96 Åおよび15.01 Å）の検出を目的とした高分解能分光法の実施。
• フィッティング手法のばらつきを考慮した統計的有意性検定（4.2–5.6σ）を用いて、O vii吸収の検出を確認。
• 観測されたイオン濃度を解釈するため、衝突電離平衡（CIE）および光電離平衡（PIE）を用いてイオン化状態をモデル化。
• 観測されたO vii吸収深さと温度制約を用いて、1つの非弾性的半径内での高温CGM質量を推定。
• 金属量（Z）を補正した上で、高温CGMのバリオン分率を全欠落バリオン量に対して計算。

Figure 1: 1 (orange), 2 (green) and 3 $\sigma$ (violet) confidence-level contours of the LLS-frame O vii K $\alpha$ line EW and centroid hinted in the individual XMM-Newton -RGS and Chandra -LETG spectra of our three targets. Colored shaded areas are the EW- $\lambda$ confidence levels for the best-

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L∗銀河における、高温で非弾性的状態にある準拠銀河系媒体（CGM）の直接的なX線的証拠は存在するか？
• RQ2 高温CGM相の温度と質量は何か？また、ハローの非弾性的温度と一致するか？
• RQ3 高温CGMは、典型的なL∗銀河における欠落バリオンのどの程度を占めているか？
• RQ4 観測されたO vii吸収線は、CIEおよびPIEモデルの予測とどのように一致するか？

主な発見

• 本研究は、3つのL∗銀河のスタックされたX線スペクトルにおける、O vii Kα吸収の最初の高信頼性検出（4.2–5.6σ）を報告している。
• 検出されたガスの温度はlog T ≈ 5.8–6.3 Kであり、L∗銀河のハロー非弾性的温度（Tvir ≈ 10⁶ K）と整合的である。
• 1つの非弾性的半径内での高温CGM質量は、Mhot-CGM ≈ (1–1.7) × 10¹¹ M⊙ (Z/0.3Z⊙)⁻¹と推定されている。
• 高温CGMは、L∗銀河における欠落バリオンの70–120%を占めており、ξb ≈ (0.7–1.2)(Z/0.3Z⊙)⁻¹である。
• ガスのイオン化状態は、衝突電離平衡（CIE）によって最もよく説明されており、観測温度下でO viiが主要な酸素イオンである。
• 結果から、高温CGM相が、典型的なL∗銀河におけるバリオン収集を完結させ、長年の銀河進化の問題を解消していることが示唆される。

Figure 2: O vii K $\alpha$ +K $\beta$ line EW-position confidence-level contours, up to the highest closed contour-level, in the simultaneous fit to the five X-ray spectra of our X-ray halo sample. The three panels refer to the three different fitting methods described in the text, and for each meth