[論文レビュー] X-ray Spectroscopy of Galaxy Clusters

H. Boehringer, Norbert Werner|ArXiv.org|Jul 24, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

このレビューは、宇宙で最大の重力的に束縛された構造である銀河団の熱的・化学的・力学的性質を解明するためのX線分光法の重要性を要約している。正確なX線分光解析により、質量の高精度測定が可能となり、衝突のダイナミクスや冷却コアの状態が明らかになり、元素の比濃度を用いた核合成の歴史の追跡が可能になる。また、次世代のミッションであるIXOを用いた今後の可能性について、温い・熱い銀河間空間媒体（WHIM）や宇宙の歴史にわたる銀河団の進化を研究する可能性が示されている。

ABSTRACT

Galaxy clusters, the largest clearly defined objects in our Universe, are ideal laboratories to study in detail the cosmic evolution of the intergalactic intracluster medium (ICM) and the cluster galaxy population. For the ICM, which is heated to X-ray radiating temperatures, X-ray spectroscopy is the most important tool to obtain insight into the structure and astrophysics of galaxy clusters. In this review we recall the basic principles of the interpretation of X-ray spectra from a hot, tenuous plasma and we illustrate the wide range of scientific applications of X-ray spectroscopy. The determination of galaxy cluster masses, important for cosmology, rest crucially on a precise spectroscopic ICM temperature determination. The study of the thermal structure of the ICM provides a very interesting fossil record of the energy release during galaxy formation and evolution. The temperature and pressure distribution of the ICM gives us important insight into the process of galaxy cluster merging and the dissipation of the merger energy in form of turbulent motion. Cooling cores in the centers are interesting laboratories to investigate the interplay between gas cooling, star- and black hole formation and energy feedback, which is diagnosed by means of X-ray spectroscopy. The element abundances deduced from X-ray spectra of the ICM provide a cosmic history record of the contribution of different supernovae to the nucleosynthesis of heavy elements and their spatial distribution partly reflects important transport processes in the ICM. Some discussion of plasma diagnostics for conditions out of thermal equilibrium and an outlook on the future prospects of X-ray spectroscopic cluster studies complete our review.

研究の動機と目的

• 銀河団の内部銀河団媒体（ICM）を調べるためのX線分光法を主要な手法として確立すること。
• 宇宙論的研究にとって極めて重要なクラスタ質量の推定を、正確な分光的温度測定を用いて補正する課題に取り組むこと。
• 合併の過程におけるエネルギー散逸や冷却コアからのフィードバックを含む、ICMの熱的・化学的歴史を調査すること。
• 超新星による核合成生成物とICM内での金属の輸送を示す指標としての元素比濃度を分析すること。
• 次世代ミッション（IXOなど）を用いた今後のX線分光法の能力を予測し、遠方銀河団および温い・熱い銀河間空間媒体（WHIM）を調べること。

提案手法

• Chandra や XMM-Newton などの観測所から得たX線スペクトルを用い、ICM内の高温で希薄なプラズマからの熱放射を測定する。
• ライン放出特徴からICMの温度・密度・イオン化構造を抽出するためのスペクトルフィッティング技術を適用する。
• Fe や Si、O、Ne、Mg、S、Ar、Ca、Ni などのL殻およびK殻イオンのK殻遷移を用いたスペクトル診断により、元素比濃度を決定する。
• 熱的平衡状態を仮定したICMモデルを構築し、非平衡イオン化状態への拡張も行う。
• IXOを想定した将来の観測をシミュレーションし、露出時間250 ksecを用いてスペクトルの信号対雑音比と測定精度を予測する。
• 回折格子と大面積集光器を備えた高分解能X線分光法を提案し、赤方偏移 z ≲ 2 における低密度WHIMを調べることを目的とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正確な温度測定を用いたX線分光法が、どのように高精度なクラスタ質量を導けるか。
• RQ2 ICM内の温度および圧力分布が、クラスタ合併のダイナミクスとエネルギー散逸の状態をどのように明らかにするか。
• RQ3 ICM内の元素比濃度が、異なるタイプの超新星の核合成生成物とその空間的分布をどのように追跡するか。
• RQ4 X線スペクトルが、銀河団の冷却コアにおけるフィードバック機構にどのような制約を加えるか。
• RQ5 今後のX線ミッション（IXOなど）が、WHIMおよび遠方銀河団の熱的・化学的構造をどの程度解像できるか。

主な発見

• X線分光法により、宇宙論的スケーリング関係や構造形成の研究に不可欠な精度で銀河団の質量を決定できる。
• IXOのシミュレーションでは、赤方偏移 z ≈ 2 の遠方銀河団に対して250 ksecの観測を実施すると、平均温度の測定精度が5%未満、鉄比濃度の測定精度が±11%以内に達する。
• 高赤方偏移銀河団におけるSi（±18%）、OおよびMg（±30%）の比濃度測定が、宇宙の金属豊度の歴史を詳細に研究可能にする。
• IXOにより、Cr、Ti、Mn、Co などの微量元素の高精度比濃度測定が可能になり、物理的混合スケールでの2次元金属分布の解像が可能になる。
• IXOのグレーティング分光器による高分解能X線分光法により、密度パラメータが10–100のWHIMを、太陽系に類似した金属率を仮定して調査可能になる。
• 集光面積約300 cm² deg²、エネルギー分解能1–2 eVの将来のミッションにより、広い視野にわたるWHIMの発光ライン画像分光が可能になる。