[논문 리뷰] Massive and Refined. II. The statistical properties of turbulent motions in massive galaxy clusters with high spatial resolution

F. Vazza, G. Brunetti외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 28.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 95인용 수 95

한 줄 요약

이 연구는 20개의 거대 은하단에 대한 고해상도 적응 격자 구조 시뮬레이션을 활용하여 은하단 간 매질(ICM) 내 난류 운동을 분석한다. 주요 융합 사건이 융합 중인 은하단에서 열 에너지의 약 ~20–30%를 난류로 주입하는 것으로 나타났으며, 안정된 은하단은 난류 비율이 약 ~5%에 불과하다. 시뮬레이션된 난류 에너지 수준은 XMM-Newton 관측 상한선과 일치하며, 난류 시스템에서 거대 라디오 허브의 존재와 강한 연관성을 보인다.

ABSTRACT

We study the properties of chaotic motions in the intra cluster medium using a set of 20 galaxy clusters simulated with large dynamical range, using the Adaptive Mesh Refinement code ENZO (e.g. Norman et al.2007). The adopted setup allows us to study the spectral and spatial properties of turbulent motions in galaxy clusters with unprecedented detail, achieving an maximum available Reynolds number of the order of R=500-1000 for the largest eddies. The correlations between the energy of these motions in the Intra Cluster Medium and the dynamical state of the host systems are studied, and the statistical properties of turbulent motions and their evolution with time support that major merger events are responsible for the injection of the bulk of turbulent kinetic energy inside cluster. Turbulence is found to account for a 20-30 per cent of the thermal energy in merging clusters, while it accounts for a 5 per cent in relaxed clusters. A comparison of the energies of turbulence and motions in our simulated clusters with present upper-limits in real nearby clusters, recently derived with XMM-Newton (Sanders et al.2010), is provided. When the same spatial scales of turbulent motions are compared, the data from simulations result well within the range presently allowed by observations. Finally, we comment on the possibility that turbulence may accelerate relativistic particles leading to the formation of giant radio halos in turbulent (merging) clusters. Based on our simulations we confirm previous semi-analytical studies that suggest that the fraction of turbulent clusters is consistent with that of clusters hosting radio halos.

연구 동기 및 목표

• 초기 해상도로 거대 은하단의 은하단 간 매질(ICM) 내 난류 운동의 통계적 성질을 처음으로 분석하기 위해.
• 주요 융합 사건이 ICM에 난류 운동 에너지를 얼마나 주입하는지 규명하기 위해.
• XMM-Newton 데이터에서의 관측 상한선과 비교하여, 특히 10–50 kpc 척도에서의 시뮬레이션된 난류 에너지 수준을 평가하기 위해.
• 융합 중인 은하단에서 거대 라디오 허브 형성과 난류 간의 관계를 탐색하기 위해.
• 중요한 난류 운동을 겪는 은하단 부피 비율이 관측된 라디오 허브 집단과 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 동적 범위 약 ~550을 확보하여 최대 레이놀즈 수 약 ~500–1000을 달성한, 적응 격자 구조(AMR) 코드 ENZO를 사용하여 20개의 거대 은하단을 시뮬레이션하였다.
• 스케일에 따른 난류 에너지 분포를 특성화하기 위해 3차원 속도장 파wer 스펙트럼 분석을 수행하였으며, 특히 $E(k) \sim k^{-5/3 \text{ to } -2}$ 범위에 중점을 두었다.
• 난류 스케일링 법칙과 에너지 연쇄 행동을 검증하기 위해 속도장의 제3차 구조 함수를 측정하였다.
• Sanders 등(2010)의 XMM-Newton 데이터에서의 관측 상한선과 비교하여 시뮬레이션된 난류 에너지 비율($E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}}$)을 평가하였다.
• 융합 역사와 난류 에너지 감쇠 timescale 평가를 위해 $z = 0$, $z = 0.3$, $z = 0.6$에서 난류 에너지의 시간적 변화를 추적하였다.
• 공간적 범위 평가(예: $E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} > 0.15$인 은하단 부피 비율)를 수행하고, 시뮬레이션 및 관측 결과에서 라디오 허브 발생과의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 역학 상태를 가진 거대 은하단의 ICM 내 난류 운동 에너지의 통계적 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 주요 융합 사건이 ICM 내 난류 에너지 주입에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 XMM-Newton의 현재 X선 관측 제약 조건과 비교해 볼 때, 시뮬레이션된 난류 에너지 수준은 10–50 kpc 척도에서 어떻게 되는가?
• RQ4 어느 정도의 은하단 부피가 거대 라디오 허브 형성에 기여할 수 있는 수준의 지속적 난류를 겪는가?
• RQ5 난류 존재와 거대 라디오 허브 발생 사이에 통계적 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 주요 융합 사건이 난류 운동 에너지 주입의 주요 원인로 작용하며, 융합 중인 은하단에서 열 에너지의 약 ~20–30%를 차지한다.
• 안정된 은하단은 난류 비율이 상당히 낮으며, $E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} \sim 5\%$로 나타나 역학 상태에 강한 의존성을 보인다.
• 10–50 kpc 척도에서의 시뮬레이션된 난류 에너지 수준은 XMM-Newton 관측 상한선과 일치하며, 특히 $E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} \leq 20\%$ 조건을 충족한다.
• 속도장의 파워 스펙트럼은 파수 수에 대해 거의 두 개의 디아드(2 decades)에 걸쳐 $E(k) \sim k^{-5/3 \text{ to } -2}$를 보이며, 안정적인 에너지 연쇄를 나타낸다.
• 융합 중인 은하단의 약 1/3이 Mpc 척도에서 $E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} > 0.15-0.30$ 수준의 난류를 보이며, 이는 관측된 거대 라디오 허브를 보유한 은하단 비율과 일치한다.
• 최근 주요 융합 이후의 볼드 타임(look-back time)과 현재 난류 수준 사이에 반비례 관계가 발견되어, 주요 사건 이후 난류가 시간이 지남에 따라 감쇠됨을 시사한다.