[논문 리뷰] Redshift Evolution of the Feedback / Cooling Equilibrium in the Core of 48 SPT Galaxy Clusters: A Joint $\boldsymbol{Chandra}$-SPT-ATCA analysis

F. Ruppin, Michael McDonald외 18명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 0.4 < z < 1.3 범위의 고적도 은하군집 48개에서 복사/냉각 평형을 측정하기 위해 찰리안, SPT, ATCA 관측을 통합하여 수행한다. AGN 공극의 전력은 라디오 연속성 빛의 세기를 통해 추정하고, X선 냉각 빛의 세기와 비교한다. 연구 결과, Pcav/Lcool 비율에 대한 적도 진화는 유의미하지 않으며, 이는 90억 년 이상 동안 라디오 모드 피드백이 냉각을 균형 잡고 있었음을 시사한다. 이에 따라 진화 기울기의 제약 조건이 2.3배 향상되었다.

ABSTRACT

We analyze the cooling and feedback properties of 48 galaxy clusters at redshifts $0.4 < z < 1.3$ selected from the South Pole Telescope (SPT) catalogs to evolve like the progenitors of massive and well-studied systems at $z{\sim}0$. We estimate the radio power at the brightest cluster galaxy (BCG) location of each cluster from an analysis of Australia Telescope Compact Array (ATCA) data. Assuming that the scaling relation between radio power and active galactic nucleus (AGN) cavity power $P_{\mathrm{cav}}$ observed at low redshift does not evolve with redshift, we use these measurements in order to estimate the expected AGN cavity power in the core of each system. We estimate the X-ray luminosity within the cooling radius $L_{\mathrm{cool}}$ of each cluster from a joint analysis of the available $Chandra$ X-ray and SPT Sunyaev-Zel'dovich (SZ) data. This allows us to characterize the redshift evolution of the $P_{\mathrm{cav}} / L_{\mathrm{cool}}$ ratio. When combined with low-redshift results, these constraints enable investigations of the properties of the feedback/cooling cycle across 9~Gyr of cluster growth. We model the redshift evolution of this ratio measured for cool core clusters by a log-normal distribution $\mathrm{Log}$-$\mathcal{N}(\alpha + \beta z, \sigma^2)$ and constrain the slope of the mean evolution $\beta = -0.05\pm 0.47$. This analysis improves the constraints on the slope of this relation by a factor of two. We find no evidence of redshift evolution of the feedback/cooling equilibrium in these clusters which suggests that the onset of radio-mode feedback took place at an early stage of cluster formation. High values of $P_{\mathrm{cav}} / L_{\mathrm{cool}}$ are found at the BCG location of non-cool core clusters which might suggest that the timescales of the AGN feedback cycle and the cool core / non-cool core transition are different.

연구 동기 및 목표

• 다량의 은하군집 핵심부에서 피드백/냉각 평형의 적도 진화를 조사하기 위해.
• 고적도에서 X선 공극을 탐지하기 어려운 과제를 해결하기 위해 라디오 전력을 AGN 공극 전력의 대체 지표로 사용하기 위해.
• X선, SZ, 라디오 데이터의 통합 분석을 통해 Pcav/Lcool 비율의 진화를 제약하기 위해.
• 라디오 모드 피드백이 초기 군집 형성 이래로 활성화되어 있었는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• ATCA 라디오 데이터를 사용하여 1.4GHz에서 AGN 공극 전력(Pcav)을 추정하고, 저적도에서 캘리브레이션된 라디오 전력과 공극 전력 간의 척도관계를 적용한다.
• 찰리안 X선과 SPT의 수냐에프-젤드비츠(SZ) 데이터를 통합하여 냉각 반경 내에서 X선 냉각 빛의 세기(Lcool)를 추정한다.
• Pcav와 Lcool을 조합하여 0.4 < z < 1.3 범위의 48개 SPT 선별 은하군집에 대해 Pcav/Lcool 비율을 계산한다.
• Pcav/Lcool 비율의 적도 진화를 로그노멀 분포 Log-N(α + βz, σ²)로 모델링하고 기울기 β를 제약한다.
• 고적도 결과를 저적도 데이터와 결합하여 피드백-냉각 평형의 진화를 더 정밀하게 제약한다.
• 깊은 라디오 및 X선 데이터를 사용하여 핵심부가 교란된 군집을 식별하고, 충돌이 피드백 주기에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 0.4에서 z ≈ 1.3 사이의 은하군집 핵심부에서 피드백/냉각 평형이 적도에 따라 진화하는가?
• RQ2 고적도에서 라디오 연속성 빛의 세기를 통해 유추된 라디오 모드 AGN 피드백 전력은 X선 냉각 빛의 세기와 일치하는가?
• RQ3 Pcav/Lcool 비율의 적도 진화 기울기는 얼마이며, 이는 0과 다를까?
• RQ4 피드백 시간 상수는 냉각핵에서 비냉각핵으로의 전이 시간 상수와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 왜 일부 비냉각핵 군집은 높은 Pcav/Lcool 비율을 가지며 강력한 라디오 AGN을 포함하고 있는가?

주요 결과

• Pcav/Lcool 비율의 적도 진화 기울기는 β = −0.05 ± 0.47로 제약되었으며, 이는 변화가 없음을 시사한다.
• 기울기의 불확실성은 이전 제약보다 2.3배 감소하여 피드백-냉각 평형 측정의 정밀도가 향상되었다.
• Pcav/Lcool 비율에 유의미한 적도 진화가 없음을 발견하여, 라디오 모드 피드백이 90억 년 이상 냉각을 균형 잡고 있었음을 뜻한다.
• 냉각핵이 아닌(NCC) 군집에서 높은 Pcav/Lcool 비율이 관측되었으며, 이는 낮은 냉각 빛 세기에도 불구하고 지속적인 라디오 피드백이 이루어지고 있음을 시사한다.
• NCC 군집에서 관측된 높은 Pcav/Lcool 비율은 최근 충돌에 의해 냉각이 억제된 상태에서 피드백이 활성화되어 있는 단계일 수 있음을 반영한다.
• 결과는 라디오 모드 피드백이 군집 형성 초반에 시작되었고, 우주 시간 동안 피드백 주기가 지속되어 왔다는 시나리오를 지지한다.