[논문 리뷰] MeerKAT discovery of a double radio relic and odd radio circle: connecting cluster and galaxy merger shocks

B. Koribalski, A. Veronica외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 24.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 병합은하군 PSZ2 G277.93+12.34에서 희귀한 이중 라디오 리릭스 시스템과 새로운 이상 라디오 圈(ORC)을 메르카트 망원경으로 발견하여, 은하군 규모와 은하계 규모의 병합에서 기인한 충격 구조를 드러냈다. 약 2.6 Mpc 떨어져 있는 이중 리릭스와 지름 400 kpc인 ORC는 모두 병합에 의해 유도된 충격에 기인한 공통된 형성 메커니즘을 시사한다.

ABSTRACT

We present the serendipitous discovery of (1) a large double radio relic associated with the galaxy cluster PSZ2 G277.93+12.34 and (2) a new odd radio circle, ORC J1027-4422, both found in the same deep MeerKAT 1.3 GHz wide-band radio continuum image. The angular separation of the two arc-shaped cluster relics is ~16 arcmin or ~2.6 Mpc for a cluster redshift of z ~ 0.158. The thin southern relic, which shows several ridges/shocks including one possibly moving inwards, has a linear extent of ~1.64 Mpc. In contrast, the northern relic is about twice as wide, twice as bright, but only has a largest linear size of ~0.66 Mpc. Complementary SRG/eROSITA X-ray images reveal extended emission from hot intracluster gas between the two relics and around the narrow-angle tail (NAT) radio galaxy PMN J1033-4335 (z ~ 0.153) located just east of the northern relic. The radio morphologies of the NAT galaxy and the northern relic, which are also detected with the Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) at 888 MHz, suggest both are moving in the same outward direction. The discovery of ORC J1027-4422 in a different part of the same MeerKAT image makes it the 4th known single ORC. It has a diameter of ~90 arcsec corresponding to 400 kpc at a tentative redshift of z ~ 0.3 and remains undetected in X-ray emission. Supported by simulations, we discuss similarities between outward moving galaxy and cluster merger shocks as the formation mechanisms for ORCs and radio relics, respectively.

연구 동기 및 목표

• 병합은하군에서의 확산 라디오 방출의 기원을 조사하는 것, 특히 이중 라디오 리릭스와 이상 라디오 圈(ORC)에 초점을 맞춘다.
• ORC와 라디오 리릭스가 병합 충격과 관련된 동일한 형성 메커니즘을 공유하는지 확인하는 것.
• 특히 스펙트럼 기울기와 맥스 수치를 포함한 라디오 및 X선 자료를 이용해 은하군 병합에서의 충격 특성을 제약하는 것.
• 대규모 충격 구조에서 상대론적 입자 가속화와 자기장의 역할을 탐색하는 것.

제안 방법

• PSZ2 G277.93+12.34 천체구역에서 확산 라디오 소스를 탐지하기 위해 메르카트 라디오 천체망원경을 이용해 깊은 1.3 GHz 광대역 관측을 수행하였다.
• SRG/eROSITA X선 이미지와 메르카트 데이터를 융합하여 내부은하간 매질의 고온 영역을 식별하고 충격 영역을 특정하였다.
• 고감도·고해상도 이미징을 이용해 리릭스와 ORC의 라디오 스펙트럼 기울기와 형태를 분석하였다.
• 옵티컬 및 적외선 자료(VISTA 반구 조사)와의 교차 매칭을 통해 관련 은하 및 은하단을 식별하였다.
• 저주파 ASKAP RACS 자료(887.5 MHz)를 활용해 라디오 방출을 확인하고 스펙트럼 기울기 측정을 향상시켰다.
• 북쪽 리릭스와 날카로운 꼬리를 가진 라디오 은하(NAT) 간의 형태와 운동을 비교하여 공동으로 이동하는 충격 역학을 추론하였다.

Figure 1: MeerKAT 1.3 GHz radio continuum image of a newly discovered double relic associated with the galaxy cluster PSZ2 G277.93+12.34. The image has a resolution of 7.7″ and is primary beam corrected. The pointing center lies $\sim$ 43′ south-west of the cluster centre.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSZ2 G277.93+12.34에서의 이중 라디오 리릭스 형태의 기원은 무엇이며, 이는 은하군 병합 기하학과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 최근 발견된 ORC J1027–4422는 은하군 내 라디오 리릭스와 동일한 충격 기반 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 NAT 라디오 은하의 운동과 북쪽 라디오 리릭스 사이의 관계는 무엇이며, 이는 충격 전파에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 이중 리릭스가 존재하는 바에야도 PSZ2 G277.93+12.34에서 라디오 홀로이드가 탐지되지 않은 이유는 무엇이며, 이는 병합 역학에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 ORC의 물리적 특성, 예를 들어 고리 지름과 X선 방출 부재 등은 알려진 라디오 리릭스와 병합 시뮬레이션과 비교해 어떻게 다를까?

주요 결과

• PSZ2 G277.93+12.34에서 이중 라디오 리릭스 시스템이 발견되었으며, 남쪽 리릭스는 약 1.64 Mpc, 북쪽 리릭스는 약 0.66 Mpc로, 적색편이 z ≈ 0.158에서 약 2.6 Mpc 떨어져 있다.
• 남쪽 리릭스는 다수의 고리형 구조와 가능성이 있는 내측으로 이동하는 충격 특징을 보이며, 북쪽 리릭스는 두 배 넓이이자 두 배 밝지만 더 농축되어 있다.
• eROSITA X선 자료는 리릭스 사이와 NAT 라디오 은하 PMN J1033–4335 주변의 확장된 고온 내부은하간 매질을 드러내어 충격 존재를 확인하였다.
• 라디오 홀로이드는 탐지되지 않았으며, 이는 입자 재가속화가 아직 지배적이지 않은 병합 단계임을 시사한다.
• ORC J1027–4422는 지름 약 90″(z ≈ 0.3에서 400 kpc)이며, 이중 피크 중심 방출을 보이는 부분 고리 형태를 띠며, X선 대응체는 없다.
• ORC J1027–4422의 형태는 이중 리릭스와 라디오 홀로이드의 축소된 형태와 유사하여, 라디오 리릭스와 유사한 병합 충격 기원을 뒷받침한다.

Figure 2: MeerKAT 1.3 GHz radio continuum image of the cluster double relic (as in Fig. 1 ) overlaid with eRASS:3 X-ray (0.3 – 2 keV) contours in blue. The eROSITA image was smoothed with a 30″ Gaussian; the contour levels are 0.001, 0.002, 0.004, 0.008 and 0.016. The overlaid circles indicate the a