[論文レビュー] Redshift Evolution of the Feedback / Cooling Equilibrium in the Core of 48 SPT Galaxy Clusters: A Joint $\boldsymbol{Chandra}$-SPT-ATCA analysis

F. Ruppin, Michael McDonald+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、48個の高赤方偏移銀河団（0.4 < z < 1.3）におけるフィードバック／冷却平衡を、Chandra、SPT、ATCAの連合観測によって測定した。AGNキャビティのエネルギー出力は電波輝度を用いて推定され、X線冷却輝度と比較された。Pcav/Lcool比に顕著な赤方偏移依存性は認められず、これは電波モードフィードバックが90億年以上にわたり冷却をバランスさせ続けてきたことを示唆している。また、この比の進化傾きに関する制約は2.3倍改善された。

ABSTRACT

We analyze the cooling and feedback properties of 48 galaxy clusters at redshifts $0.4 < z < 1.3$ selected from the South Pole Telescope (SPT) catalogs to evolve like the progenitors of massive and well-studied systems at $z{\sim}0$. We estimate the radio power at the brightest cluster galaxy (BCG) location of each cluster from an analysis of Australia Telescope Compact Array (ATCA) data. Assuming that the scaling relation between radio power and active galactic nucleus (AGN) cavity power $P_{\mathrm{cav}}$ observed at low redshift does not evolve with redshift, we use these measurements in order to estimate the expected AGN cavity power in the core of each system. We estimate the X-ray luminosity within the cooling radius $L_{\mathrm{cool}}$ of each cluster from a joint analysis of the available $Chandra$ X-ray and SPT Sunyaev-Zel'dovich (SZ) data. This allows us to characterize the redshift evolution of the $P_{\mathrm{cav}} / L_{\mathrm{cool}}$ ratio. When combined with low-redshift results, these constraints enable investigations of the properties of the feedback/cooling cycle across 9~Gyr of cluster growth. We model the redshift evolution of this ratio measured for cool core clusters by a log-normal distribution $\mathrm{Log}$-$\mathcal{N}(\alpha + \beta z, \sigma^2)$ and constrain the slope of the mean evolution $\beta = -0.05\pm 0.47$. This analysis improves the constraints on the slope of this relation by a factor of two. We find no evidence of redshift evolution of the feedback/cooling equilibrium in these clusters which suggests that the onset of radio-mode feedback took place at an early stage of cluster formation. High values of $P_{\mathrm{cav}} / L_{\mathrm{cool}}$ are found at the BCG location of non-cool core clusters which might suggest that the timescales of the AGN feedback cycle and the cool core / non-cool core transition are different.

研究の動機と目的

• マスターギャラクシー団の中心部におけるフィードバック／冷却平衡の赤方偏移依存性を調査すること。
• 高赤方偏移においてX線キャビティを検出することが難しい課題を克服するため、AGNキャビティ出力の代理指標として電波出力を用いること。
• X線、SZ、電波データの連合解析を用いて、Pcav/Lcool比の進化を制約すること。
• 電波モードフィードバックが初期の団形成以降に活動を続けてきたかどうかを検証すること。

提案手法

• ATCAの電波データを用い、低赤方偏移で校正された電波出力とキャビティ出力の関係式を用いて、1.4 GHzにおけるAGNキャビティ出力（Pcav）を推定する。
• Chandra X線データとSPTのサンヤエフ＝ツェルドビッチ（SZ）データを連合して、冷却半径内でのX線冷却輝度（Lcool）を推定する。
• PcavとLcoolを組み合わせ、0.4 < z < 1.3の48個のSPT選択銀河団についてPcav/Lcool比を計算する。
• Pcav/Lcool比の赤方偏移依存性を対数正規分布 Log-N(α + βz, σ²) としてモデル化し、傾きβを制約する。
• 高赤方偏移の結果を低赤方偏移データと組み合わせ、フィードバック・冷却平衡の進化をより精密に制約する。
• 深さのある電波およびX線データを用いて、核心部が乱れた銀河団を特定し、衝突がフィードバックサイクルに与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 0.4 から z ≈ 1.3 の間で、銀河団の中心部におけるフィードバック／冷却平衡は赤方偏移に伴い変化するか？
• RQ2 電波輝度から推定される電波モードAGNフィードバック出力は、高赤方偏移においてX線冷却輝度と整合的か？
• RQ3 Pcav/Lcool比の赤方偏移進化傾きは何か？ これはゼロから逸脱しているか？
• RQ4 フィードバック時間スケールは、冷却核心から非冷却核心への遷移時間スケールと比べてどうか？
• RQ5 一部の非冷却核心銀河団では、高いPcav/Lcool比を持つ強力な電波AGNが観測されるが、その理由は何か？

主な発見

• Pcav/Lcool比の赤方偏移進化傾きは β = −0.05 ± 0.47 と制約され、変化がないことと整合的である。
• 傾きの不確実性は、過去の制約と比較して2.3倍改善され、フィードバック・冷却平衡の測定精度が向上した。
• Pcav/Lcool比に顕著な赤方偏移依存性は認められず、電波モードフィードバックが90億年以上にわたり冷却をバランスさせ続けてきたことを示している。
• 高いPcav/Lcool比は、形状が乱れており、非冷却核心（NCC）の銀河団に観測され、冷却輝度が低いにもかかわらず、依然として電波フィードバックが進行中である可能性を示唆している。
• NCC銀河団における高いPcav/Lcool比は、最近の衝突によって冷却が抑制されているが、フィードバックは依然として活動的である段階を反映している可能性がある。
• 結果は、電波モードフィードバックの発生が団形成の初期段階にさかのぼり、宇宙の歴史を通じてフィードバックサイクルが持続しているというシナリオを支持している。