[논문 리뷰] On the prospect of discovering `galaxy groups' through radio observations

Surajit Paul, Prateek Gupta외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 우주론적 유체역학 시뮬레이션(ENZO)을 사용하여 은하군 및 은하단에 대한 새로운 전파 방출 모델을 제시한다. 여기서는 동역학적 충격 가속(DSA)과 난류 재가속(TRA)을 모두 고려하여 싱크로트론 방출을 계산한다. 연구 결과는 질량-전파력 스케일링이 더 평탄하며($M_{500} \propto P_{1.4\text{GHz}}^{2.17\pm0.08}$), $L_X$–$P_{1.4\text{GHz}}$ 상관관계가 강하게 나타나, $10^{14}\,M_\odot$ 이하의 은하군에서는 감지 가능한 전파 밀도($\sim$10–100 $\mu$Jy/beam)를 예측한다. 이는 현재 및 향후 천체망원경인 SKA와 uGMRT로도 탐지 가능하다.

ABSTRACT

Observed steep mass scaling of radio power from the available high mass clusters has ruled out the prospect of detection of 'galaxy groups'. But, the available simulations and observations of thermal emissions show that the groups are merger prone, thus non-virialised, indicating better visibility in the radio waves. Detection of radio emissions from them would help us to understand the scale-dependent particle acceleration mechanisms also groups can be a unique laboratory to test the models of cosmic magnetism and canbe the potential source of WHIMs. So, we have modelled radio emissions from the simulated structures using {\sc{ENZO}}. We present a model for computing magnetic field and for the first time, used the electron energy spectrum from both the Fermi I (DSA) and Fermi II (TRA) mechanisms to compute radio emissions. Computed radio power from more than 200 simulated objects, mass ranging $\geq 10^{13}$ to $2 imes 10^{15} M_{\odot}$ show a new mass scaling of $M_{500} \propto P_{1.4\;GHz}^{2.17\pm 0.08}$ and a strong correlation scale of $L_X \propto P_{1.4\;GHz}^{1.08\pm 0.05}$. Both magnetic field and radio power are shown to have adequately replicated the available observations at high mass, allowing us to extend the results to further smaller masses. We report that groups below $10^{14}\; m{M_{\odot}}$ show the existence of 10s of nano to a sub-$μ$G magnetic field and about 10$^{19-23}$ W Hz$^{-1}$ of radio power, much higher than what existing mass scaling predicts. We found that the combined radio power from TRA and DSA electrons can only fit very well to all the observed `radio halos'. Finally, we have implemented this model on a real data set obtained from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). It predicts about 10s to 100s $μ$Jy/(10$\arcsec$ beam) of radio flux in groups indicating their detectability with existing and aplenty with the future radio telescopes.

연구 동기 및 목표

• 저질량 은하군에서 비열적 전파 방출에 대한 관측적 및 이론적 이해 부족을 해결하기 위해.
• 기존의 거대 은하단에서 유도된 질량-전파력 스케일링 법칙이 은하군으로까지 외삽 가능한지 테스트하기 위해.
• 우주론적 시뮬레이션에서 DSA와 TRA 메커니즘을 사용하여 은하간 매질 전자로부터 자기장과 싱크로트론 전파 방출을 모델링하기 위해.
• 현재 및 향후 전파 천체망원경으로 은하군의 전파 방출 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 은하군이 우주 자기장과 부족한 바리온 문제(Whim)의 기원을 탐색하는 데 유용한 탐사 도구가 될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• ENZO 코드를 사용하여 질량 범위 $\geq 10^{13}$에서 $2\times10^{15}\,M_\odot$ 사이의 은하군 및 은하단을 유체역학적 시뮬레이션으로 구현하였다.
• 난류에 의해 유도되는 포화를 가정하여 자기장 강도를 모델링하였으며, $B \propto \rho^{1/2} v_{\text{turb}}^{1/2}$로 가정하였다.
• DSA 및 TRA 메커니즘을 통해 전자 에너지 스펙트럼을 계산하여 1.4 GHz에서의 싱크로트론 전파 방출을 추정하였다.
• 복사 전송이나 스펙트럼 노후화를 고려하지 않고, 시간 정지 시뮬레이션 스크래치 방식을 사용하여 전파력과 자기장을 계산하였다.
• 속도 분산과 밀도에 대한 스케일링 관계를 적용하여 실제 SDSS 은하군 목록 데이터에 모델을 적용하여 전파 밀도를 추정하였다.
• 고질량 영역에서 관측된 $P_{1.4\text{GHz}}$–$L_X$ 및 $M_{500}$–$P_{1.4\text{GHz}}$ 스케일링 관계와의 일치 여부를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대 은하단에서 관측된 급격한 질량-전파력 스케일링에도 불구하고, $10^{14}\,M_\odot$ 이하의 은하군이 감지 가능한 전파 방출을 생성할 수 있는가?
• RQ2 DSA와 TRA를 병합한 메커니즘이 TRA 단독보다 관측된 은하단의 전파 홀로 방출을 더 잘 설명하는가?
• RQ3 저질량 은하군에서 예측되는 전파 밀도 수준은 무엇이며, 기존 또는 향후 전파 천체망원경으로 감지 가능한가?
• RQ4 저질량 영역에서 $M_{500}$–$P_{1.4\text{GHz}}$ 및 $L_X$–$P_{1.4\text{GHz}}$ 스케일링 관계는 어떻게 행동하는가?
• RQ5 은하군이 우주 자기장과 WHIM의 기원을 탐색하는 데 실현 가능한 탐사 도구가 될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 은하군과 은하단에 대해 $M_{500} \propto P_{1.4\text{GHz}}^{2.17\pm0.08}$의 더 평탄한 질량-전파력 스케일링을 예측하며, 거대 은하단에서 관측된 $\sim4$의 급격한 기울기와 다름을 보인다.
• X선 빛의 세기와 전파력 사이에 강한 상관관계가 발견되었으며, $L_X \propto P_{1.4\text{GHz}}^{1.08\pm0.05}$로 관측 결과와 일치한다.
• $10^{14}\,M_\odot$ 이하의 은하군은 10nG에서 수 마이크로가우스까지의 자기장을 지녀, 난류 다이너모 이론의 시험대가 된다.
• 은하군의 전파력은 $10^{19}$에서 $10^{23}$ W Hz$^{-1}$ 사이로, 은하단 전용 스케일링 법칙의 예측보다 현저히 높다.
• DSA+TRA 병합 모델은 TRA 단독보다 관측된 은하단 전파 홀로 방출을 더 잘 맞추며, 융합 충격의 중요한 역할을 시사한다.
• SDSS 기반 구현은 많은 은하군에서 $\sim$10–100 $\mu$Jy/beam의 전파 밀도를 예측하며, 현재 천체망원경으로는 약 3%가, SKA로는 최대 20%가 감지 가능하다.