[논문 리뷰] Stability of Cool Cores During Galaxy Cluster Growth: A Joint $Chandra$/SPT Analysis of 67 Galaxy Clusters Along a Common Evolutionary Track Spanning 9 Gyr

F. Ruppin, M. McDonald외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 127인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 천체망원경 Chandra와 SPT 데이터를 이용해 67개의 은하단에서 0.3 < z < 1.3 범위 내에서 은하단 간 매질(ICM) 밀도 프로파일을 측정하기 위한 공동 X선/SZ 분석 기법을 개발한다. Chandra의 표면 빛강도와 SPT의 콤프턴 매개변수를 조합함으로써, 기존의 표준 X선 분석 대비 밀도 프로파일의 불확도를 약 5배 감소시켜, 90억 년 동안 질량이 4배 증가함에도 불구하고 쿨코어 분율과 코어 밀도가 안정되어 있음을 드러내며, 이는 현재의 유체역학적 시뮬레이션에서 예측하는 바와는 정반대이다. 즉, 적색이동이 증가함에 따라 쿨코어 분율이 증가해야 한다는 예측과 모순된다.

ABSTRACT

We present the results of a joint analysis of $Chandra$ X-ray and South Pole Telescope (SPT) SZ observations targeting the first sample of galaxy clusters at $0.3 < z < 1.3$, selected to be the progenitors of well-studied nearby clusters based on their expected accretion rate. We develop a new procedure in order to tackle the analysis challenge that is estimating the intracluster medium (ICM) properties of low-mass and high-redshift clusters with ${\sim}150$ X-ray counts. One of the dominant sources of uncertainty on the ICM density profile estimated with a standard X-ray analysis with such shallow X-ray data is due to the systematic uncertainty associated with the ICM temperature obtained through the analysis of the background-dominated X-ray spectrum. We show that we can decrease the uncertainty on the density profile by a factor ${\sim}5$ with a joint deprojection of the X-ray surface brightness profile measured by $Chandra$ and the SZ integrated Compton parameter available in the SPT cluster catalog. We apply this technique to the whole sample of 67 clusters in order to track the evolution of the ICM core density during cluster growth. We confirm that the evolution of the gas density profile is well modeled by the combination of a fixed core and a self-similarly evolving non-cool core profile. We show that the fraction of cool-cores in this sample is remarkably stable with redshift although clusters have gained a factor ${\sim}4$ in total mass over the past ${\sim}9$ Gyr. This new sample combined with our new X-ray/SZ analysis procedure and extensive multi-wavelength data will allow us to address fundamental shortcomings in our current understanding of cluster formation and evolution at $z > 1$.

연구 동기 및 목표

• 우주의 시간에 따라 은하단의 쿨코어 성질이 어떻게 진화하는지 조사하며, 특히 은하단 간 매질(ICM) 밀도 프로파일의 안정성에 초점을 맞춘다.
• 낮은 질량, 고적색이도 은하단에서 X선 데이터가 얕고 배경 노이즈가 높은 조건(약 150개의 카운트)에서 ICM 성질을 추정하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 정확한 X선 스펙트로스코피에 의존하지 않고도 ICM 밀도 프로파일 추정의 체계적 불확도를 줄일 수 있는 공동 X선/SZ 분석 방법을 개발하고 검증한다.
• M500 ~2×10¹⁴ M⊙ 에서 z~1.4에서 출발해 M500 ~8×10¹⁴ M⊙ 에 도달하는 은하단에서 적색이동에 따라 쿨코어 분율이 변화하는지 테스트한다.
• 미래의 다파장 연구를 위한 공통된 진화 경로를 따라가는 67개의 은하단 샘플을 유산 자료로 제공한다.

제안 방법

• Chandra X선 표면 빛강도 프로파일과 SPT의 통합 콤프턴 매개변수(Y)를 공동으로 분석하여 ICM 밀도 프로파일을 동시에 제약한다.
• X선 표면 빛강도와 SZ 신호를 동일한 물리적 모델 내에서 조합하는 정방향 모델링 접근법을 사용하여 배경에 의해 제한되는 X선 스펙트로스코피에 대한 의존도를 최소화한다.
• X선 포인트 스프레드 함수를 고려하고, 재구성 중심을 X선 중심으로 이동시켜, 신호 대 잡음 비율이 낮은 조건에서 더 안정된 결과를 확보한다.
• ICM 밀도 프로파일은 고정된 초기 코어(z > 1.3)와 자기유사적으로 진화하는 비쿨코어 성분의 조합으로 모델링된다.
• 배경에 의해 영향을 받는 X선 스펙트럼의 체계적 불확도는 배경에 영향을 받지 않고 총 전자 압력에 민감한 SZ 신호의 보완적 제약을 통해 감소된다.
• 모의 샘플을 통해 방법을 검증하고, SPT 및 SPTpol 카탈로그의 전체 67개 은하단 샘플에 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량이 4배 증가함에도 불구하고 90억 년 동안 쿨코어 은하단 분율이 일정하게 유지되는가?
• RQ2 표준 X선 분석을 사용할 경우 약 150개의 X선 카운트만으로도 저질량, 고적색이도 은하단의 ICM 밀도 프로파일을 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 공동 X선/SZ 재구성 방법은 표준 X선 분석 대비 ICM 밀도 프로파일 추정의 불확도를 얼마나 줄이는가?
• RQ4 관측된 쿨코어 성질의 안정성은 현재의 유체역학적 시뮬레이션과 일치하는가? 특히 고적색이도에서 쿨코어 분율이 증가해야 한다는 예측과의 일치 여부를 검토한다.
• RQ5 67개의 조상 은하단 샘플을 사용해 우주의 시간에 따라 ICM 진화를 추적하는 데 있어 신뢰할 수 있는 진화 시퀀스로 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 공동 X선/SZ 분석은 표준 X선 분석 대비 ICM 밀도 프로파일의 상대적 불확도를 약 5배 감소시켰으며, 정확한 X선 스펙트로스코피가 필요 없이 약 20%의 불확도로 달성하였다.
• ICM 밀도 프로파일은 z > 1.3에서 형성된 고정된 코어와 자기유사적으로 진화하는 비쿨코어 성분의 조합으로 잘 설명되며, 이는 코어 구조의 장기적 안정성을 시사한다.
• 적색이동 범위 0.3 < z < 1.3 동안 쿨코어 분율은 약 60%로 일정하게 유지되며, 이는 약 90억 년 동안 질량이 4배 증가했음에도 불구하고 성립한다.
• 코어 밀도의 진화는 연구된 적색이동 범위에서 일정한 값으로 일관되며, 중심 ICM 성질의 유의미한 진화가 없음을 시사한다.
• 결과는 고적색이도에서 쿨코어 분율이 증가해야 한다는 예측을 하는 현재의 유체역학적 시뮬레이션과 모순되며, 이는 쿨코어가 현재 모델링된 것보다 이르게 형성되었거나, 고적색이도에서 코어 파괴 메커니즘이 시뮬레이션보다 더 자주 발생했을 가능성을 시사한다.
• 67개의 조상 은하단 샘플은 향후 JWST, ALMA, Rubin 관측소, 그리고 미래의 X선 임무를 위한 고유한 다파장 자원을 제공한다.