[논문 리뷰] Clusters and superclusters of galaxies

Neta A. Bahcall|arXiv (Cornell University)|1996. 11. 19.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 2인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 은하단과 초은하단의 성질을 검토하며, 암흑물질, 천체론 및 대규모 구조 탐사에서의 역할을 강조한다. 광학, X선 및 역학적 자료를 사용하여, 단의 질량-광도 비율과 속도 분산이 높은 물질 밀도를 암시함으로써 표준 천체론 모델에 도전하며, 대체로 유동 측정과 질량 분포에 대한 해결되지 않은 긴장이 드러난다.

ABSTRACT

Rich clusters of galaxies are the most massive virialized systems known. Even though they contain only a small fraction of all galaxies, rich clusters provide a powerful tool for the study of galaxy formation, dark matter, large-scale structure, and cosmology. Superclusters, the largest known systems of galaxies, extend to (approx) 100h^{-1} Mpc in size and highlight the large-scale structure of the universe. This large-scale structure reflects initial conditions in the early universe and places strong contraints on models of galaxy formation and on cosmology. Some of the questions that can be addressed with clusters and superclusters of galaxies include: How did galaxies and larger structures form and evolve? What is the amount, composition, and distribution of matter in clusters and larger structures? How does the cluster mass density relate to the matter density in the universe? What constraints can the cluster and supercluster data place on cosmology? I will discuss in these lectures some of the properties of clusters and superclusters of galaxies that can be used to investigate these topics.

연구 동기 및 목표

• 천체론 모델을 제약하기 위해 관측 및 이론적 통찰을 통합하여 은하단과 초은하단의 성질을 종합한다.
• 역학적 및 X선 측정을 통해 은하단 내 암흑물질의 분포와 성질을 조사한다.
• 은하단과 초은하단 성질이 물질 밀도 파ameter (Ωm)와 우주의 대규모 구조에 미치는 함의를 평가한다.
• 표준 천체론 시뮬레이션에 도전하는 관측된 특이속도와 대규모 유동 간의 해결되지 않은 모순을 규명한다.
• 미래의 관측 및 이론적 연구를 위한 은하단과 초은하단 천체물리학 분야의 주요 열린 문제들을 제시한다.

제안 방법

• 은하단의 풍부도, 속도 분산 및 공간적 군집도를 결정하기 위해 광학 적색편이 조사 및 은하 빛의 세기 함수를 사용한다.
• 은하단 질량을 계산하기 위해 천체역학적 평형을 가정하여, 은하의 선속도 분산을 바탕으로 비율정리( virial theorem )를 적용한다.
• 은하단 내 희박한 가스의 열적 성질과 질량을 추정하기 위해 X선 빛의 세기 및 온도 측정치를 활용한다.
• 관측된 은하단 질량-광도 비율(M/L ~ 300h M☉/L☉)을 이론적 기대치와 비교하여 암흑물질의 지배적 영향을 추론한다.
• 은하단 상관 함수 및 속도 상관 함수를 분석하여 대규모 중력 잠재력과 대규모 유동을 탐색한다.
• 우주론적 시뮬레이션(예: CDM 모델)을 사용하여 예측된 특이운동 및 질량 분포를 관측 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하단 내 질량, 특히 암흑물질의 분포는 빛과 뜨거운 기체의 분포와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 관측된 은하단 특이속도와 대규모 유동은 Ωm = 1 및 Ωm ≈ 0.3 냉각 암흑물질 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 은하단의 비율 및 X선 성질은 천체론적 물질 밀도와 은하 형성 모델에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 왜 Ωm = 1 CDM 모델의 예측과는 달리 고속 은하단이 관측되지 않는가?
• RQ5 초은하단의 진정한 형태와 질량 분포는 무엇이며, 이는 대규모 구조와 천체론적 파ameter에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 풍부한 은하단은 일반적으로 ~750 km s⁻¹의 속도 분산을 보이며, 1.5 h⁻¹ Mpc 내에서 약 ~5 × 10¹⁴ h⁻¹ M☉의 역학적 질량을 암시한다.
• 은하단의 질량-광도 비율은 약 ~300h M☉/L☉로, 이는 암흑물질이 질량 예산을 지배함을 나타낸다.
• 은하단의 X선 빛의 세기는 약 ~10⁴².⁵에서 10⁴⁵ erg s⁻¹이며, 온도는 2에서 14 keV로, 수소기반 열플라즈마가 수압평형 상태에 있음을 일관되게 암시한다.
• 관측된 은하단 특이속도 함수는 고속 꼬리가 없으며, 이는 Ωm = 1 CDM 모델의 예측과 정면으로 배치된다.
• 5 h⁻¹ Mpc 척도에서의 쌍별 은하단 속도는 Ωm = 1 CDM 모델에서는 약 ~1700 km s⁻¹이지만, Ωm ≈ 0.3 CDM 모델에서는 약 ~700 km s⁻¹로 나타나 모델에 따라 크게 달라진다.
• 150 h⁻¹ Mpc 척도에서 관측된 대규모 대류 유동은 약 ~689 ± 178 km s⁻¹로, 테스트된 모든 모델의 예측값인 약 ~200 km s⁻¹를 크게 초월한다.