[논문 리뷰] A high-resolution view of the filament of gas between Abell 399 and Abell 401 from the Atacama Cosmology Telescope and MUSTANG-2

Adam D. Hincks, Federico Radiconi외 44명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 101인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 아타카마 우주론망원경(Atacama Cosmology Telescope, ACT)과 MUSTANG-2 수신기로부터의 고감도 데이터를 이용해, 은하단 아벨 399와 아벨 401을 연결하는 뜨거운 가스 필라멘트를 처음으로 고해상도로 탐지한다. 이는 5σ 유의수준에서 3.3 ± 0.7 × 10¹⁴ M⊙의 가스 브릿지로 확인되며, 횡방향 폭은 약 1.9 Mpc, 선형 시선 기울기는 약 17°로 추정되어 실제 분리 거리가 약 11 Mpc임을 시사한다. 가스 밀도는 (0.88 ± 0.24) × 10⁻⁴ cm⁻³로 측정되어 따뜻한-뜨거운 간성간 매질(WHIM)과 일치한다.

ABSTRACT

We report a significant detection of the hot intergalactic medium in the filamentary bridge connecting the galaxy clusters Abell 399 and Abell 401. This result is enabled by a low-noise, high-resolution map of the thermal Sunyaev-Zeldovich signal from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) and Planck satellite. The ACT data provide the $1.65'$ resolution that allows us to clearly separate the profiles of the clusters, whose centres are separated by $37'$, from the gas associated with the filament. A model that fits for only the two clusters is ruled out compared to one that includes a bridge component at $>5\sigma$. Using a gas temperature determined from Suzaku X-ray data, we infer a total mass of $(3.3\pm0.7) imes10^{14}\,\mathrm{M}_{\odot}$ associated with the filament, comprising about $8\%$ of the entire Abell 399-Abell 401 system. We fit two phenomenological models to the filamentary structure; the favoured model has a width transverse to the axis joining the clusters of ${\sim}1.9\,\mathrm{Mpc}$. When combined with the Suzaku data, we find a gas density of $(0.88\pm0.24) imes10^{-4}\,\mathrm{cm}^{-3}$, considerably lower than previously reported. We show that this can be fully explained by a geometry in which the axis joining Abell 399 and Abell 401 has a large component along the line of sight, such that the distance between the clusters is significantly greater than the $3.2\,\mathrm{Mpc}$ projected separation on the plane of the sky. Finally, we present initial results from higher resolution ($12.7"$ effective) imaging of the bridge with the MUSTANG-2 receiver on the Green Bank Telescope.

연구 동기 및 목표

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• 아벨 399와 아벨 401을 연결하는 필라멘트 내 뜨거운 간성간 매질을 직접 영상화하고 특성화하는 것.
• 다중 파장 데이터를 이용해 필라멘트의 물리적 성질, 즉 질량, 폭, 기하학적 형태를 규명하는 것.
• 필라멘트의 구조와 역학이 사전 융합 클러스터 시스템과 일치하는지 테스트하는 것.

제안 방법

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• 아타카마 우주론망원경(Atacama Cosmology Telescope, ACT)으로부터의 고해상도(1.65′) 열수야에프-젤도비치(tSZ) 지ap을 활용하여 클러스터 프로파일을 해상하고 필라멘트를 탐지한다.
• Suzaku X선 측정값과 ACT tSZ 데이터를 융합하여 가스 온도를 제약하고 총 질량을 추정한다.
• 필라멘트의 반경 프로파일에 현상학적 모델(예: 메사 모델)을 적합시켜 횡방향 폭과 기하학적 형태를 추정한다.
• MUSTANG-2의 12.7′′ 해상도 영상 데이터를 활용하여 브릿지 내 소규모 압력 구조와 난류를 탐색한다.
• 데이터에 클러스터와 필라멘트 모델을 적합시키기 위해 베이지안 추론과 내재 샘플링(nested sampling, emcee)을 적용한다.
• 데이터 분석 및 시각화를 위해 HEALPix 기반 천구 맵핑과 HEALPy를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 .
• RQ2 아벨 399와 아벨 401을 연결하는 뜨거운 가스 필라멘트의 총 질량과 공간적 범위는 무엇인가?
• RQ3 관측된 신호는 필라멘트 구조에 의해 발생했는가, 아니면 클러스터 복사의 단순한 중첩일 뿐인가?
• RQ4 특히 시선 방향에 대한 필라멘트의 진짜 기하학적 형태는 무엇인가?
• RQ5 측정된 가스 밀도는 따뜻한-뜨거운 간성간 매질(WHIM)에 대한 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ6 클러스터 간에 탐지된 라디오 방사선 고리의 성격은 무엇이며, 난류 또는 충격에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

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• 필라멘트는 5σ 이상의 유의수준에서 탐지되었으며, 총 질량은 (3.3 ± 0.7) × 10¹⁴ M⊙로 시스템 총 질량의 약 8%를 차지한다.
• 필라멘트의 횡방향 폭은 약 1.9 Mpc이며, 하늘에서의 투영 분리 거리인 3.2 Mpc보다 훨씬 좁다.
• 가스 밀도는 (0.88 ± 0.24) × 10⁻⁴ cm⁻³로 측정되었으며, 이는 이전 추정치보다 상당히 낮다.
• 선형 시선 기울기는 약 17°로 추정되어, 실제 물리적 분리 거리는 3.2 Mpc의 투영 거리가 아니라 약 11 Mpc임을 시사한다.
• MUSTANG-2 데이터는 압력 구조에 유의미한 기울기를 보이지 않았지만, 필라멘트 내 저수준 난류와 일치하는 초과 신호를 탐지하였다.
• 이 시스템은 중력적으로 결합되어 있으며, 클러스터 질량과 속도는 사전 융합 구조와 일치한다.