[論文レビュー] Cluster Radio Relics as a Tracer of Shock Waves of the Large-Scale Structure Formation

T. A. Enßlin, Peter L. Biermann+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 1997

Astro and Planetary Science被引用数 37

ひとこと要約

本論文は、銀河団の集積または合体衝撃波で加速された相対論的電子が、大規模構造形成に伴う宇宙論的衝撃波を示すクラスターラジオレリーフを提案している。9つのレリーフからの観測データは、衝撃加速、スペクトル指数、偏光、および衝撃パラメータの予測と一致し、構造形成における理論的に予測されたこれらの衝撃波の最初の直接的証拠を提供する。

ABSTRACT

We present evidence for the existence of shock waves caused by the formation of the large-scale structure. In some clusters of galaxies peripherally located sources of extended diffuse radio emission exist, the so-called cluster radio relics. They have steep radio spectra but no apparent cutoff, as old remnants of radio galaxies usually have. Therefore particle acceleration has to take place within them. We propose that shock structures of the cosmological large-scale matter flows are responsible for the acceleration of relativistic electrons: cluster accretion shocks and bow shocks of merger events. We develop a theory of radio plasma having traversed these shocks and compare it to observational data of nine radio relics (0038-096, 0917+75, 1140+203, 1253+275, 1712+64, 1706+78, 2006-56, 2010-57, 1401-33) and their host clusters (A85, A786, A1367, Coma, A2255, A2256, A3667, S753). The necessary accretion power, the spectral index of the radio spectrum, the acceleration efficiency of the shock, the diffusion coefficient in the post-shock region, and the predicted radio polarization in all of our examples fit into a coherent interpretation of the observational data. Since polarization measurements are available only for four sources, the predictions of our theory can be independently checked using other examples. The predicted values of the shock compression ratio, density and temperature of the infalling gas, magnetic field strength of the shocked and unshocked radio plasma are discussed within the frame of structure formation theory.

研究の動機と目的

• 銀河団における拡張的で拡散的なラジオ放射の起源を調査すること、特にスペクトルが急激に傾き、カットオフのないものを対象とする。
• これらのレリーフが、大規模構造の流れにおける衝撃波で加速された相対論的電子によって駆動されているかどうかを特定すること。
• 観測されたスペクトル指数、偏光、およびラジオ放射の性質が、銀河団の集積または合体イベントにおける衝撃モデルによって説明可能かどうかを検証すること。
• 圧縮比、磁場、密度、温度といった衝撃パラメータを、宇宙論的構造形成理論と結びつけること。
• ラジオレリーフの観測データを用いて、理論的に予測された大規模構造の衝撃波を観測的に検証すること。

提案手法

• 多項指数 γ = 5/3 の多項的ガスとアインシュタイン＝デシッター宇宙論を用いた一次元流体力学的シミュレーションにより、銀河団の集積衝撃波をモデル化する。
• Ryu & Kang (1997) や Kang et al. (1997) の経験的関係式を用い、観測されたX線温度 kTobs から衝撃半径 rs と衝撃速度 Vs を導出する。
• 拡散的衝撃加速理論を適用し、磁場内での相対論的電子のエネルギースペクトルとラジオ放射を推定する。
• 視線方向に対する衝撃の幾何構造、視点、磁場の向きに基づき、予想されるラジオ偏光を計算する。
• 9つのラジオレリーフおよびその母銀河団の多波長観測と、予測されたスペクトル指数、偏光レベル、衝撃パラメータを比較する。
• 年齢をスペクトルの折り返し点からの推定とエネルギー損失 timescales からの推定という2つの独立した方法で評価し、モデルの一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模構造の衝撃波における連続的な粒子加速によって、クラスターラジオレリーフの急激でカットオフのないラジオスペクトルが説明可能か？
• RQ2 観測された偏光特性が、衝撃の幾何構造と磁場の整列に基づく予測と一致するか？
• RQ3 推定された衝撃圧縮比、磁場、プラズマ密度が、宇宙論的構造形成モデルと整合的か？
• RQ4 観測されたスペクトル指数と偏光レベルを用いて、視点や衝撃位置が銀河団中心からの相対的位置を制約可能か？
• RQ5 レリーフプラズマの推定年齢が、衝撃加速モデルを他のメカニズムよりも支持するか？

主な発見

• コンマ銀河団のレリーフ 1253+275 の観測スペクトル指数と偏光は、集積衝撃波の予測と一致し、衝撃加速モデルを支持する。
• 他の8つのレリーフについても、推定された衝撃パラメータ（圧縮比、磁場強度、密度、温度）は、宇宙論的構造形成と整合的であり、ガス温度が 0.5–1 keV であることは事前加熱の兆候である。
• A2256 の 1706+78 の偏光は予測を上回っており、これは集積衝撃波ではなく内部の合体衝撃波にあることを示唆し、衝撃半径は約 1 Mpc h50⁻¹ である。
• モデル予測の偏光は、A3667 の 2006-56 で約 30%、2010-57 で約 10%、0038-096、1140+203、1401-33 では 5% 未満であり、今後の観測のテスト可能な予測を提供する。
• レリーフプラズマの年齢を2つの独立した方法で推定した結果、約 10⁸ 年となり、衝撃加速モデルを支持し、より古い注入時刻を排除する。
• レリーフから銀河団中心への線分に対して垂直に投影された磁場の整列は、理論的予想と整合的である。