[论文解读] Non-thermal Origin of the EUV and HEX Excess Emission of the Coma Cluster - the Nature of the Energetic Electrons

T. A. Enßlin, Richard Lieu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 1998

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用 10

一句话总结

该论文提出，室女座星系团中极端紫外（EUV）和高能X射线（HEX）的过量辐射源自相对论性电子的逆康普顿（IC）散射，其中EUV过量辐射可能源于电子对星光的IC散射，而非宇宙微波背景辐射（CMB）。HEX过量辐射则归因于星系团内介质电子分布中一个微小的高能尾部所产生的轫致辐射，该过程由原位湍流加速驱动，解决了与磁场约束条件和光子过量生产之间的不一致问题。

ABSTRACT

The excess in extreme-ultraviolet (EUV) radiation and high energy X-rays (HEX) of Coma may be modeled by power law spectra. Their origin could be inverse Compton (IC) emission by relativistic electrons. The scattered photon fields can either be the CMB or the starlight of the galaxies within the cluster. If the EUV excess is due to CMB-IC, a strongly inhomogeneous magnetized intra- cluster medium (ICM) is required, in which the density of the relativistic electrons is anticorrelated with the magnetic fields. This could be understood if the electrons were accelerated during a major merger event within the last 2 Gyr and cooled afterwards in the inhomogeneous fields. If the EUV excess is due to starlight-IC, a population of relativistic, very low energy electrons has to be present, with a high energy density. In order to survive Coulomb losses, these electrons have to be separated from the cluster gas by confining magnetic fields. This could be remnant radio plasma from the epoch of violent quasar activity. The observed narrow radial profile of the EUV excess emission is due to the narrow photon distribution for this model. Both models favor very inhomogeneous magnetic field and relativistic electron distributions. IC models for the HEX excess seem to be implausible: CMB-IC leads to a mainly unmagnetized ICM, in contradiction to Faraday rotation measurements. Starlight scattering electrons would overproduce EUV photons due to simultaneously CMB-IC. We propose that the observed HEX excess is due to bremsstrahlung of a small high energy power-law tail of the mainly thermal ICM electron distribution. Such a tail is expected due to in-situ acceleration by turbulence.

研究动机与目标

• 确定室女座星系团中未解释的极端紫外（EUV）和高能X射线（HEX）过量辐射的起源。
• 评估这些辐射是否源于相对论性电子对宇宙微波背景辐射（CMB）光子或星光的逆康普顿（IC）散射。
• 在磁场约束和电子能量损失机制的背景下，评估IC模型对EUV和HEX过量辐射的可行性。
• 解释EUV过量辐射的狭窄径向分布特征，并将其与观测到的法拉第旋转测量结果相协调。
• 提出一种替代机制来解释HEX过量辐射，以避免EUV光子过量生产及磁场不一致问题。

提出的方法

• 使用相对论性电子的幂律谱对EUV和HEX过量辐射进行建模。
• 通过相对论性电子能量分布和磁场非均匀性，分析电子对CMB或星系团星光的逆康普顿（IC）辐射。
• 评估在CMB-IC条件下匹配EUV过量辐射所需的电子密度与磁场反相关关系。
• 通过磁约束抑制极低能相对论性电子的库仑损耗，评估其生存能力，推测其为类星体活动遗留的射电喷流等离子体。
• 利用热电子分布中高能尾部的轫致辐射解释HEX过量辐射，其驱动力为原位湍流加速。
• 结合法拉第旋转测量结果，约束磁场结构，排除无磁化星系团内介质（ICM）的可能情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 室女座星系团中的EUV过量辐射能否由相对论性电子对宇宙微波背景辐射的逆康普顿散射来解释？
• RQ2 磁场非均匀性和电子能量分布对CMB-IC模型在EUV过量辐射中的约束条件是什么？
• RQ3 星光-IC模型在EUV过量辐射中是否可行？相对论性电子在何种条件下可避免库仑损耗？
• RQ4 为何观测到的EUV过量辐射具有狭窄的径向分布？这与星光-IC模型中的光子场分布有何关联？
• RQ5 HEX过量辐射能否通过非热成分解释，而不会导致EUV光子过量生产或违反法拉第旋转约束？

主要发现

• EUV过量辐射最合理的解释是相对论性电子对星系团星光的逆康普顿散射，这需要存在一群极低能量、高能量密度的电子，且被磁场约束。
• CMB-IC模型解释EUV过量辐射需依赖于高度非均匀的星系团内介质，且电子密度与磁场分布呈反相关，这与后并合过程中的电子加速和冷却过程一致。
• HEX过量辐射无法由CMB-IC解释，因为与法拉第旋转测量结果冲突——后者要求介质具有磁化特性；同时，星光-IC模型会导致EUV光子过量生产。
• HEX过量辐射最合理的解释是热电子分布中一个微小高能尾部产生的轫致辐射，这与星系团内介质中原位湍流加速过程一致。
• EUV过量辐射的狭窄径向分布特征在星光-IC模型中可自然解释，因为该模型中光子能量分布本身较窄。
• 本研究结论认为，观测到的辐射为非热辐射：EUV过量辐射源于星光-IC，而HEX过量辐射源于湍流加速电子尾部的轫致辐射。