[论文解读] Clusters and superclusters of galaxies

Neta A. Bahcall|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 1996

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用 15

一句话总结

本文综述了星系团和超星系团的性质，强调其在探测暗物质、宇宙学和大尺度结构中的作用。利用光学、X射线和动力学数据，研究表明星系团的质量-光度比和速度 dispersion 暗示物质密度较高，挑战标准宇宙学模型，并凸显了整体速度测量和质量分布中的未解矛盾。

ABSTRACT

Rich clusters of galaxies are the most massive virialized systems known. Even though they contain only a small fraction of all galaxies, rich clusters provide a powerful tool for the study of galaxy formation, dark matter, large-scale structure, and cosmology. Superclusters, the largest known systems of galaxies, extend to (approx) 100h^{-1} Mpc in size and highlight the large-scale structure of the universe. This large-scale structure reflects initial conditions in the early universe and places strong contraints on models of galaxy formation and on cosmology. Some of the questions that can be addressed with clusters and superclusters of galaxies include: How did galaxies and larger structures form and evolve? What is the amount, composition, and distribution of matter in clusters and larger structures? How does the cluster mass density relate to the matter density in the universe? What constraints can the cluster and supercluster data place on cosmology? I will discuss in these lectures some of the properties of clusters and superclusters of galaxies that can be used to investigate these topics.

研究动机与目标

• 综合观测与理论见解，研究星系团和超星系团，以约束宇宙学模型。
• 通过动力学和X射线测量，探究星系团中暗物质的分布与性质。
• 评估星系团和超星系团特性对物质密度参数（Ωm）及宇宙大尺度结构的影响。
• 识别观测中奇特速度和整体流之间未解矛盾，这些矛盾挑战标准宇宙学模拟。
• 概述未来观测与理论研究中星系团和超星系团天体物理学的关键开放问题。

提出的方法

• 利用光学红移巡天和星系光度函数，测定星系团的丰富度、速度 dispersion 和空间聚集度。
• 应用维里定理，通过星系视线速度 dispersion 估算星系团质量，假设处于动力学平衡状态。
• 利用X射线光度和温度测量，推断热星系团间介质的热力学性质和质量。
• 将观测到的星系团质量-光度比（M/L ~ 300h M☉/L☉）与理论预期进行比较，推断暗物质的主导地位。
• 分析星系团相关函数和速度相关函数，探测大尺度引力势和整体流。
• 使用宇宙学模拟（如CDM模型）将预测的奇特运动和质量分布与观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系团内部的质量分布（包括暗物质）如何分布？与光和热气体的分布相比有何不同？
• RQ2 观测到的星系团奇特速度和整体流与Ωm = 1和Ωm ≈ 0.3冷暗物质模型的预测相比如何？
• RQ3 星系团的重子分数和X射线特性对宇宙学物质密度和星系形成模型有何约束？
• RQ4 为何观测中缺乏高速星系团，这与Ωm = 1 CDM模型的预测相矛盾？
• RQ5 超星系团的真实形态和质量分布是什么？它们如何影响大尺度结构和宇宙学参数？

主要发现

• 富星系团的典型速度 dispersion 约为 ~750 km s⁻¹，表明在1.5 h⁻¹ Mpc范围内动力学质量约为 ~5 × 10¹⁴ h⁻¹ M☉。
• 星系团的质量-光度比约为 ~300h M☉/L☉，表明暗物质主导质量预算。
• 星系团的X射线光度范围为 ~10⁴².⁵ 至 10⁴⁵ erg s⁻¹，温度为 2 至 14 keV，与热等离子体处于流体静力平衡状态一致。
• 观测到的星系团奇特速度函数缺乏高速尾部，与Ωm = 1 CDM模型的预测相矛盾。
• 在5 h⁻¹ Mpc尺度上，成对星系团的速度在Ωm = 1 CDM模型中约为 ~1700 km s⁻¹，但在Ωm ≈ 0.3 CDM模型中仅约 ~700 km s⁻¹，显示出强烈模型依赖性。
• 在150 h⁻¹ Mpc尺度上观测到的大尺度整体速度约为 ~689 ± 178 km s⁻¹，显著超过所有测试模型的预测值（约 ~200 km s⁻¹）。