[논문 리뷰] Non-thermal Origin of the EUV and HEX Excess Emission of the Coma Cluster - the Nature of the Energetic Electrons

T. A. Enßlin, Richard Lieu외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 08. 13.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 코마 성운에서 관측된 극도로 자외선(EUV) 및 고에너지 X선(HEX) 과잉 방출이 상대론적 전자에 의한 역역방산(IC) 산란에서 기인하며, EUV 과잉은 우주 마이크파배경(CMB)이 아닌 항성 빛으로 인한 IC 산란일 가능성이 높다고 제안한다. HEX 과잉은 내부에서 발생하는 난류 가속에 의해 유도된 은하간 매질의 전자 분포에서의 소규모 고에너지 尾를 통한 브레머스트라할링에 기인하며, 자기장 제약 조건과 과잉 광자 생산 문제를 해결한다.

ABSTRACT

The excess in extreme-ultraviolet (EUV) radiation and high energy X-rays (HEX) of Coma may be modeled by power law spectra. Their origin could be inverse Compton (IC) emission by relativistic electrons. The scattered photon fields can either be the CMB or the starlight of the galaxies within the cluster. If the EUV excess is due to CMB-IC, a strongly inhomogeneous magnetized intra- cluster medium (ICM) is required, in which the density of the relativistic electrons is anticorrelated with the magnetic fields. This could be understood if the electrons were accelerated during a major merger event within the last 2 Gyr and cooled afterwards in the inhomogeneous fields. If the EUV excess is due to starlight-IC, a population of relativistic, very low energy electrons has to be present, with a high energy density. In order to survive Coulomb losses, these electrons have to be separated from the cluster gas by confining magnetic fields. This could be remnant radio plasma from the epoch of violent quasar activity. The observed narrow radial profile of the EUV excess emission is due to the narrow photon distribution for this model. Both models favor very inhomogeneous magnetic field and relativistic electron distributions. IC models for the HEX excess seem to be implausible: CMB-IC leads to a mainly unmagnetized ICM, in contradiction to Faraday rotation measurements. Starlight scattering electrons would overproduce EUV photons due to simultaneously CMB-IC. We propose that the observed HEX excess is due to bremsstrahlung of a small high energy power-law tail of the mainly thermal ICM electron distribution. Such a tail is expected due to in-situ acceleration by turbulence.

연구 동기 및 목표

• 코마 성운에서 설명되지 않은 극도로 자외선(EUV) 및 고에너지 X선(HEX) 과잉 방출의 기원을 규명하는 것.
• 이 방출이 상대론적 전자에 의한 우주 마이크파배경(CMB) 광자 또는 항성 빛으로의 역역방산(IC) 산란에서 비롯되는지 평가하는 것.
• 자기장 제약 조건과 전자 에너지 손실 메커니즘을 고려할 때, IC 모델이 EUV 및 HEX 과잉 둘 다에 대해 타당한지 평가하는 것.
• EUV 과잉의 좁은 반경 프로파일을 설명하고 관측된 파라데이 회전 측정치와 조화를 이룰 수 있도록 하는 것.
• EUV 광자를 과잉 생산하거나 자기장 일관성 문제를 야기하지 않는 HEX 과잉에 대한 대안적 메커니즘을 제안하는 것.

제안 방법

• 상대론적 전자의 멱법 스펙트럼을 사용하여 EUV 및 HEX 과잉 방출을 모델링하는 것.
• 상대론적 전자가 CMB 또는 은하단 항성 빛을 산란시키는 역역방산(IC) 방출을 분석하며, 상대론적 전자 에너지 분포와 자기장 비균일성을 고려하는 것.
• CMB-IC 조건 하에서 EUV 과잉을 일치시키기 위해 필요한 전자 밀도와 자기장 반비례 관계를 평가하는 것.
• 자기장에 의해 봉인된 매우 낮은 에너지의 상대론적 전자들이 쿨롱 손실에 견딜 수 있도록 하기 위해, 활성 블랙홀의 과거 활동에서 남은 라디오 플라즈마 잔여물이 존재할 가능성을 제안하는 것.
• 내부에서 발생하는 난류 가속에 의해 유도된 열 전자 분포의 고에너지 꼬리에서 발생하는 브레머스트라할링 방출을 사용하여 HEX 과잉을 설명하는 것.
• 파라데이 회전 측정치를 통합하여 자기장 구조를 제약하고, 자기장이 없는 은하간 매질 시나리오를 배제하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코마 성운의 EUV 과잉 방출은 상대론적 전자가 우주 마이크파배경을 산란시켜 발생할 수 있는가?
• RQ2 자기장 비균일성과 전자 에너지 분포는 CMB-IC 모델이 EUV 과잉을 설명하는 데 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 항성 빛-IC 모델은 EUV 과잉에 대해 타당한가? 그리고 매우 낮은 에너지의 상대론적 전자가 쿨롱 손실에 견딜 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ4 관측된 EUV 과잉이 좁은 반경 프로파일을 가지는 이유는 무엇이며, 이는 항성 빛-IC 모델에서 광자 분포와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 EUV 광자를 과잉 생산하거나 파라데이 회전 제약을 위반하지 않는 한계에서 HEX 과잉을 비열적 성분으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• EUV 과잉은 상대론적 전자가 은하단 항성 빛을 산란시키는 역역방산 산란에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 자기장에 의해 봉인된 매우 낮은 에너지이지만 고밀도의 전자 집합이 필요하다.
• CMB-IC 모델은 EUV 과잉을 설명하기 위해 매우 비균일한 은하간 매질이 필요하며, 전자 밀도와 자기장 분포가 반비례해야 하며, 이는 후기 충돌 이후의 전자 가속과 냉각과 일치한다.
• HEX 과잉은 파라데이 회전 측정치에 의해 자기장이 존재하는 매질이 필요하다는 점에서 CMB-IC와 충돌하며, 또한 EUV 광자를 과잉 생산하므로 항성 빛-IC 모델은 타당하지 않다.
• HEX 과잉은 열 전자 분포의 소규모 고에너지 꼬리에서 발생하는 브레머스트라할링 방출에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 은하간 매질 내부에서 발생하는 내재적 난류 가속과 일치한다.
• EUV 과잉 방출의 좁은 반경 프로파일은 항성 빛-IC 모델에서 광자 에너지 분포가 좁기 때문에 자연스럽게 설명된다.
• 이 연구는 관측된 방출이 비열적임을 결론 내리며, EUV 과잉은 항성 빛-IC에서 기인하고, HEX 과잉은 난류 가속된 전자 꼬리의 브레머스트라할링에서 기인한다고 한다.