[论文解读] Cluster Radio Halos at the crossroads between astrophysics and cosmology in the SKA era

R. Cassano, G. Bernardi+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文利用结合湍流再加速与次级电子生成的蒙特卡洛模拟，预测星系团在宇宙时空中巨大射电 halo（RHs）的出现、光谱特性及可探测性。预测显示，SKA1巡天——尤其是100–300 MHz频段的SKA1-LOW——将在z ~ 0.6以内探测到约2,500个巨大RHs和约1,000个超陡谱halo，实现对'关断态'halo的首次探测，并可探测到高红移处质量低至~10^14 M⊙的星系团。

ABSTRACT

Giant Radio Halos (RH) are diffuse, Mpc-sized, synchrotron radio sources observed in a fraction of merging galaxy clusters. The current scenario for the origin of RHs assumes that turbulence generated during cluster mergers re-accelerates pre-existing fossil and/or secondary electrons in the intra-cluster-medium (ICM) to the energies necessary to produce the observed radio emission. Moreover, more relaxed clusters could host diffuse "off state" halos produced by secondary electrons. In this Chapter we use Monte Carlo simulations, that combine turbulent-acceleration physics and the generation of secondaries in the ICM, to calculate the occurrence of RHs in the Universe, their spectral properties and connection with properties of the hosting clusters. Predictions for SKA1 surveys are presented at low (100-300 MHz) and mid (1-2 GHz) frequencies assuming the expected sensitivities and spatial resolutions of SKA1. SKA1 will step into an unexplored territory allowing us to study the formation and evolution of RHs in a totally new range of cluster masses and redshift, allowing firm tests of the current theoretical hypothesis. In particular, the combination of SKA1-LOW and SUR will allow the discovery of ~1000 ultrasteep- spectrum halos and to detect for the very first time "off state" RHs. We expect that at least ~2500 giant RHs will be discovered by SKA1-LOW surveys up to z~0.6. Remarkably these surveys will be sensitive to RHs in a cluster mass range (down to ~10^14 solar masses) and redshifts (up to ~1) that are unexplored by current observations. SKA1 surveys will be highly competitive with present and future SZ-surveys in the detection of high-redshift massive objects.

研究动机与目标

• 利用物理解释的统计框架，模拟星系团中弥散射电halo（RHs）的形成与演化。
• 评估RHs在宇宙时空中可探测性的可能性，尤其关注即将开展的SKA1巡天。
• 利用预测的巡天灵敏度，检验湍流再加速与次级电子模型在RH形成中的可行性。
• 评估SKA1射电巡天探测高红移、低质量及准静态星系团的能力，通过弥散射电发射进行探测。
• 比较SKA1-LOW在$L_X$-$z$与$M_{500}$-$z$平面中，与X射线（Reflex）和SZ（Planck）巡天的星系团探测效率。

提出的方法

• 采用结合湍流粒子再加速物理机制与星系团内介质（ICM）中次级电子生成的蒙特卡洛模拟。
• 利用标度关系$P_{1.4} \propto L_X^{1.5}$与$P_{1.4} \propto M_{500}^{3.7}$，将射电halo的辐射功率与X射线光度及星系团质量关联。
• 采用$\Lambda$CDM宇宙学模型，参数为$H_0=70\,\rm km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}$，$\Omega_m=0.3$，$\Omega_\Lambda=0.7$，用于宇宙演化建模。
• 基于SKA1性能规格，预测低频（100–300 MHz）与中频（1–2 GHz）下可探测的RH群体。
• 利用SKA1-LOW与SKA1-SUR的灵敏度与角分辨率极限，估算随红移变化的最小可探测halo辐射功率。
• 在$L_X$-$z$与$M_{500}$-$z$平面中，比较SKA1-LOW与X射线（Reflex）和SZ（Planck）巡天的星系团选源函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA1-LOW与SKA1-SUR在宇宙时空中预计可探测到多少个巨大射电halo，其光谱分布如何？
• RQ2 SKA1巡天能否探测到'关断态'射电halo——即来自准静态星系团中次级电子的微弱弥散射电发射？这是否能为星系团物理提供全新探测手段？
• RQ3 SKA1在探测高红移、大质量星系团方面，与当前及未来的X射线与SZ巡天相比，探测能力如何？
• RQ4 当前基于半解析模型的星系团形成研究，由于合并率与星系团质量函数建模的局限性，是否在高红移RH数量上存在过高或过低预测？
• RQ5 SKA1-LOW探测弥散射电发射的最小星系团质量与红移范围是多少？其探测能力相较于现有观测极限有何扩展？

主要发现

• 预测SKA1-LOW巡天将在红移$z \sim 0.6$以内探测到约2,500个巨大射电halo，探测范围延伸至此前未被探索的质量区间，低至$\sim 10^{14}$ M$_\odot$。
• SKA1-LOW预计可探测到约1,000个超陡谱halo，实现对该稀有群体的首次观测确认。
• 预测SKA1-LOW可探测到'关断态'射电halo——即来自次级电子的微弱弥散射电发射——标志着对准静态星系团物理探测的重大进展。
• 由于$P_{1.4} \propto M_{500}^{3.7}$标度关系的陡峭特性，SKA1-LOW对高红移星系团的探测灵敏度高于当前X射线巡天，尤其在$z \geq 0.2$时更为显著。
• 在$M_{500}$-$z$平面中，SKA1-LOW的星系团选源函数相对平坦，与Planck SZ巡天相比，在探测高红移大质量星系团方面具有竞争力。
• 对$z \sim 0.5-0.6$处RHs的理论预测被视为下限，因所采用的基于PS的蒙特卡洛模型在高红移合并事件生成上存在不足，提示未来模型可能带来更高探测数量。