[논문 리뷰] Non-thermal emission and dynamical state of massive galaxy clusters from CLASH sample

M. Pandey-Pommier, Johan Richard외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 CLASH 조사에서 유래한 14개의 거대 은하단을 다중 파장 데이터(GMRT, Chandra, HST)를 사용하여 분석하여 비열적 전파 방출과 X선 및 약한 렌즈 질량 맵을 통해 유추된 역학적 상태 간의 연관성을 규명한다. 초기 경사 스펙트럼 전파 반도(α < -1.5)와 이격된 전파-질량 피크는 계속 진행 중인 융합을 나타내며, 냉각핵 클러스터에서 정렬된 X선, 전파 및 질량 피크는 안정된 상태를 나타내며, 이는 안정된 시스템에서 복사 물질과 암흑 물질 간의 밀접한 결합을 드러낸다.

ABSTRACT

Massive galaxy clusters are the most violent large scale structures undergoing merger events in the Universe. Based upon their morphological properties in X-rays, they are classified as un-relaxed and relaxed clusters and often host (a fraction of them) different types of non-thermal radio emitting components, viz., haloes, mini-haloes, relics and phoenix within their Intra Cluster Medium (ICM). The radio haloes show steep (alpha = -1.2) and ultra steep (alpha &lt; -1.5) spectral properties at low radio frequencies, giving important insights on the merger (pre or post) state of the cluster. Ultra steep spectrum radio halo emissions are rare and expected to be the dominating population to be discovered via LOFAR and SKA in the future. Further, the distribution of matter (morphological information), alignment of hot X-ray emitting gas from the ICM with the total mass (dark + baryonic matter) and the bright cluster galaxy (BCG) is generally used to study the dynamical state of the cluster. We present here a multi wavelength study on 14 massive clusters from the CLASH survey and show the correlation between the state of their merger in X-ray and spectral properties (1.4 GHz - 150 MHz) at radio wavelengths. Using the optical data we also discuss about the gas-mass alignment, in order to understand the interplay between dark and baryonic matter in massive galaxy clusters.

연구 동기 및 목표

• 거대 은하단의 비열적 전파 방출과 그들의 역학적 상태 간의 상관관계를 조사하기 위해.
• 융합 활동이 은하단 내 간성운중(ICC)에서의 산란 방출의 스펙트럼 특성(스펙트럼 인덱스)과 형태에 미치는 영향를 규명하기 위해.
• X선 방출 가스, 총 질량(암흑 + 바리온) 및 전파 방출 간의 정렬을 검토하여 융합 과정 중 암흑 물질과 바리온 물질 간의 상호작용을 추론하기 위해.
• 초기 경사 스펙트럼 전파 반도(USSR)를 식별하고 특성화하여 주요 융합 후기 또는 폭력적인 융합 단계의 지표로 삼기 위해.
• 클러스터 핵 상태(냉각핵 대비 비냉각핵)가 산란 전파 방출의 공간 분포 및 스펙트럼 특성에 미치는 영향를 평가하기 위해.

제안 방법

• 150 MHz까지의 저주파 GMRT 관측과 1.4 GHz에서의 고주파 VLA 데이터를 사용하여 150 MHz와 1.4 GHz 사이의 스펙트럼 인덱스(α)를 유도하였다.
• Chandra의 X선 데이터를 활용하여 클러스터 X선 방출의 형태적 상태(냉각핵 대비 비냉각핵)와 중심 이격도를 평가하였다.
• HST와 MUSE 데이터를 사용한 약한 중력 렌즈 분석을 적용하여 총 질량 맵을 재구성하여 암흑 물질 분포를 드러내었다.
• GMRT의 전파 등고선, Chandra의 X선 방출 및 렌즈 기반 총 질량 맵을 겹쳐 놓아 전파, X선 및 질량 피크 간의 공간 정렬을 연구하였다.
• 전파 형태(반도, 마이니-반도, 유물, 피닉스)와 스펙트럼 인덱스 값에 기반해 클러스터를 분류하여 융합 단계(융합 전/후)를 추론하였다.
• X선 중심 이격도(500 kpc 영역 내에서 X선 피크와 중심점 간의 투영 거리의 표준편차)를 통해 클러스터의 안정성 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대 클러스터에서 산란 전파 방출의 스펙트럼 인덱스는 그들의 역학적 상태(안정된 상태 대비 비안정 상태)와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 냉각핵 및 비냉각핵 클러스터에서 전파 방출, X선을 방출하는 가스, 총 질량(암흑 물질) 간의 공간적 관계는 어떠한가?
• RQ3 초기 경사 스펙트럼 전파 반도(α < -1.5)는 주로 주요 융합 후기 또는 융합 중인 클러스터에서 선호적으로 발생하는가?
• RQ4 X선, 전파 및 질량 피크 간의 정렬은 융합 활동 정도와 바리온 물질 및 암흑 물질 간의 결합 정도를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 전파와 질량 피크 간의 이격은 클러스터의 역학적 상태 및 진화에 대해 어떤 정보를 제공하는가?

주요 결과

• 14개 클러스터 중 5개에서 초기 경사 스펙트럼 전파 반도(USSR)가 검출되었으며, 스펙트럼 인덱스 α₁₄₀₀/₂₃₅ < -1.5로 나타나, 이는 주로 융합 후기 또는 후기 융합 단계일 가능성이 높다.
• 냉각핵(CC) 클러스터 6개(RX J1532+3021, MACS J0329-0211 등)에서는 X선, 전파(마이니-반도), 총 질량 피크가 정렬되어 있으며, 이는 융합 활동이 최소한인 안정된 역학적 상태를 나타낸다.
• 비냉각핵(NCC) 클러스터인 MACS J0416.1-2403 및 MACS J1149.5+2223에서는 전파 반도와 총 질량 피크가 이격되어 있으며, 이는 계속 진행 중이거나 최근에 일어난 융합 활동을 시사한다.
• 거대 전파 반도를 보유한 냉각핵 클러스터인 Abell 209는 전파와 질량 피크 간에 이격이 있지만, X선과 질량 피크는 정렬되어 있어 폭력적인 융합 이후 NCC에서 CC로의 전이 단계일 가능성을 시사한다.
• 냉각핵 클러스터에서는 X선 중심 이격도가 더 작으며(평균 이격도 < 100 kpc), 이는 더 안정된 상태임을 확인하며, X선 농도가 총 질량 농도보다 높다.
• 총 질량 맵(주로 암흑 물질에 의해 지배됨)은 X선 맵(바리온 물질에 의해 지배됨)보다 중심 농도가 낮다. 이는 암흑 물질가 충돌이 없는 반면, 바리온 물질는 충돌성이 있음을 확인한다.