[논문 리뷰] Radio halos in a mass-selected sample of 75 galaxy clusters: II. Statistical analysis

Cuciti, V., Cassano, R.외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 67

한 줄 요약

이 연구는 플랑크 SZ 목록에서 유도된 질량 선택된 75개의 은하단에 대한 라디오 할로의 첫 통계 분석을 제시한다. 깊은 라디오 및 X선 데이터를 사용하여, 라디오 할로의 빛의 세기와 은하단 질량 사이에 강한 상관관계가 있음을 확인하고, 90퍼센트 이상의 라디오 할로가 융합 중인 은하단에서 발생함을 보여주며, 은하단의 운동 상태가 라디오 파wr–질량 관계의 산란에 크게 기여하며, 발광도가 명백한 이중성 분포를 보임을 밝혀낸다. 관측된 라디오 할로 비율의 감소(고질량 은하단에서 약 70퍼센트에서 저질량 은하단에서 약 35퍼센트로)는 난류 재가속 모델과 일치한다.

ABSTRACT

Context. Many galaxy clusters host megaparsec-scale difiuse radio sources called radio halos. Their origin is tightly connected to the processes that lead to the formation of clusters themselves. In order to reveal this connection, statistical studies of the radio properties of clusters combined with their thermal properties are necessary. For this purpose, we selected a sample of galaxy clusters with M500≤ 6 × 1014M and z = 0.08-0.33 from the Planck Sunyaev-Zel'dovich catalogue. In Paper I, we presented the radio and X-ray data analysis that we carried out on the clusters of this sample. Aims. In this paper we exploit the wealth of data presented in Paper I to study the radio properties of the sample, in connection to the mass and dynamical state of clusters. Methods.We used the dynamical information derived from the X-ray data to assess the role of mergers in the origin of radio halos.We studied the distribution of clusters in the radio power-mass diagram, the scaling between the radio luminosity of radio halos and the mass of the host clusters, and the role of dynamics in the radio luminosity and emissivity of radio halos. We measured the occurrence of radio halos as a function of the cluster mass and we compared it with the expectations of models developed in the framework of turbulent acceleration. Results. We find that more than the 90% of radio halos are in merging clusters and that their radio power correlates with the mass of the host clusters. The correlation shows a large dispersion. Interestingly, we show that cluster dynamics contributes significantly to this dispersion, with more disturbed clusters being more radio luminous. Clusters without radio halos are generally relaxed, and the upper limits to their diffiuse emission lie below the correlation. Moreover, we show that the radio emissivity of clusters exhibits an apparent bimodality, with the emissivity of radio halos being at least ~5 times larger than the non-emission associated with more relaxed clusters. We find that the fraction of radio halos drops from ~70% in high-mass clusters to ~35% in the lower mass systems in the sample and we show that this result is in good agreement with the expectations from turbulent re-acceleration models.

연구 동기 및 목표

• 은하단의 라디오 할로 성질과 질량 및 역학 상태 사이의 통계적 연관성을 조사하는 것.
• 융합 활동이 라디오 할로의 빛의 세기와 발광도에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 것.
• 은하단 질량에 따른 라디오 할로 발생률을 측정하고 이론 모델과 비교하는 것.
• 은하단 역학이 라디오 파워–질량 상관관계의 산란에 어떤 역할을 하는지 평가하는 것.
• 깊은 라디오 관측이 가능한 완전한 질량 선택 표본을 사용하여 난류 재가속 모델의 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• M500 ≥ 6 × 10^14 M⊙ 이며 적색편이 0.08 ≤ z ≤ 0.33인 플랑크 SZ 목록에서 75개의 은하단을 선별하였다.
• 610 MHz 및 1.4 GHz에서의 깊은 라디오 관측 데이터를 X선 기반 역학 정보와 융합하여 은하단을 융합 중 또는 안정된 것으로 분류하였다.
• 은하단의 라디오 파워–질량(P1.4GHz–M500) 및 라디오 발광도–질량 다이어그램을 그려 상관관계와 산란을 연구하였다.
• Cassano 등(2013) 및 Martinez Aviles 등(2016)의 데이터를 포함한 통합 표본을 사용하여 라디오 파워–질량 기울기에 대한 제약 조건을 향상시켰다.
• 두 개의 질량 구간(M < 8 × 10^14 M⊙ 및 M ≥ 8 × 10^14 M⊙)에서 라디오 할로의 발생률을 측정하였다.
• 관측된 라디오 할로 비율을 Cassano & Brunetti(2005)의 난류 재가속 모델 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주변 은하단의 질량에 따라 라디오 할로의 빛의 세기는 어떻게 달라지며, 이 관계의 산란은 은하단의 역학 상태와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 라디오 할로의 발생률은 은하단 질량에 따라 어떻게 변화하며, 난류 재가속 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ3 융합 사건이 라디오 할로 형성에 얼마나 기여하는가? 그리고 융합 중인 은하단 중 얼마나 많은 비율이 이러한 할로를 포함하는가?
• RQ4 라디오 발광도에 이중성 분포가 존재하는가? 만약 그렇다면, 할로가 있는 및 없는 은하단의 물리적 조건에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 관측된 라디오 할로 성질은 특히 저질량 시스템에서 난류 재가속 메커니즘으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 90퍼센트 이상의 라디오 할로가 융합 중인 은하단에서 발견되며, 나머지 10퍼센트는 안정된 시스템에서 발견된다.
• 라디오 할로의 파워는 은하단 질량과 상관관계가 있지만, 이 관계는 상당한 산란을 보이며, 이 산란은 은하단의 역학 상태에 의해 강하게 영향을 받는다.
• 라디오 할로가 없는 은하단은 흩어진 방출에 상한선을 가지며, 이는 라디오 파워–질량 상관관계 이하에 위치해 있어 감지 가능한 라디오 할로를 유지할 수 없음을 시사한다.
• 라디오 발광도는 명백한 이중성 분포를 보이며, 라디오 할로가 있는 은하단은 안정된 은하단보다 최소 5배 이상 높은 발광도를 가진다.
• 라디오 할로를 포함하는 은하단의 비율은 고질량 시스템(M ≥ 8 × 10^14 M⊙)에서 약 70퍼센트에서 저질량 시스템(M < 8 × 10^14 M⊙)에서 약 35퍼센트로 감소하며, 이는 난류 재가속 모델과 일치한다.
• 관측된 라디오 할로 발생의 질량 및 융합 활동에 대한 의존성은 난류 재가속 모델의 이론적 예측과 양호하게 일치하며, 이는 저질량 융합에서는 고주파수 라디오 방출을 유도할 만큼의 난류를 생성하지 못할 수 있음을 시사한다.