[论文解读] A universal correlation between warm and hot gas in the stripped tails of cluster galaxies

Ming Sun, Chong Ge+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究揭示了星系团中剥离尾部X射线与Hα表面亮度之间存在普遍线性相关性，斜率为3.48 ± 0.25，表明剥离的星际介质与热星系际介质之间存在高效混合。该相关性在17个星系的42个区域中被观测到，为多相气体中的能量传递与湍流提供了有力证据，是星系团环境中多相星际介质动力学模型的关键约束条件。

ABSTRACT

The impact of ram pressure stripping on galaxy evolution is well known. Recent multi-wavelength data have revealed many examples of galaxies undergoing stripping, often accompanied with multi-phase tails. As energy transfer in the multi-phase medium is an outstanding question in astrophysics, galaxies in stripping are great objects to study. Despite the recent burst of observational evidence, the relationship between gas in different phases in the tails is poorly known. Here we report a strong linear correlation between the X-ray surface brightness and the H$\alpha$ surface brightness of the diffuse gas in the stripped tails at $\sim$ 10 - 40 kpc scales, with a slope of $\sim$ 3.5. This discovery provides evidence for the mixing of the stripped interstellar medium with the hot intracluster medium as the origin of the multi-phase tails. The established relation in stripped tails, also in comparison with the likely related correlations in similar environments like galactic winds and X-ray cool cores, provides an important test for models of energy transfer in the multi-phase gas. It also indicates the importance of the H$\alpha$ data to study clumping and turbulence in the intracluster medium.

研究动机与目标

• 研究星系团中激波剥离尾部的暖（Hα）与热（X射线）气体相之间的关系。
• 确定在多个星系和环境中，X射线与Hα表面亮度之间是否存在系统性相关性。
• 评估多相尾部的物理起源，特别是剥离的星际介质与热星系际介质之间混合的作用。
• 评估该相关性对能量传递、湍流及多相介质中气体凝聚模型的影响。
• 将观测到的相关性与星系风及X射线低温核心中的类似关系进行比较，识别普遍性或环境依赖性行为。

提出的方法

• 构建了迄今最大的激波剥离（RPS）星系样本，包含深Hα数据（来自窄带成像或MUSE IFS）和深X射线数据（来自Chandra或XMM-Newton）。
• 定义了42个位于D25以外的尾部区域（B波段等深线25 mag/arcsec²），每个区域面积从6.3 kpc²到2.1×10³ kpc²不等，排除点源和H II区。
• 测量每个区域的X射线表面亮度（SB）和Hα SB，其中8个区域未检测到X射线发射，给出5-σ上限。
• 对X射线与Hα表面亮度数据拟合线性关系，得到SBX/SBHα = 3.48 ± 0.25，内在离散度极低，约为10%。
• 利用补充数据和光谱建模，研究X射线/Hα比值在距星系和星系团中心投影距离上的空间变化。
• 基于压强平衡假设和再结合理论，估算暖电离气体的填充因子，标准假设下得出fHα ~ 2.5×10⁻⁵。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系剥离尾部中X射线与Hα表面亮度是否存在普遍相关性？
• RQ2 观测到的X射线/Hα表面亮度比的物理机制是什么？是否反映了剥离的ISM与热ICM之间的混合？
• RQ3 X射线/Hα比值如何随距星系或星系团中心的距离变化？是否依赖于星系团质量或压强等属性？
• RQ4 与星系风及X射线低温核心中的关系相比，该观测相关性有何异同？对多相介质中能量传递机制有何启示？
• RQ5 所推导出的暖电离气体低填充因子对湍流、凝聚及剥离尾部中气体蒸发模型有何影响？

主要发现

• 在剥离尾部中发现X射线与Hα表面亮度之间存在强线性相关性，斜率为3.48 ± 0.25，内在离散度极低（约10%）。
• 该相关性在17个RPS星系的42个区域中均成立，包括12个检测到X射线尾部的星系，且在限制分析区域面积约为300–440 kpc²时依然稳健。
• X射线/Hα表面亮度比在不同星系团中保持一致（例如，室女座星系团为3.1±1.0，后发座星系团为4.4±0.7），尽管由于数据有限，星系团间差异尚不明确。
• 在压强平衡假设下，暖电离气体的填充因子约为2.5×10⁻⁵，比部分先前模型中的值小两个数量级。
• 在一个约束最充分的尾部中，投影距离超过60 kpc时，Hα/X射线比值上升，提示大半径处暖气体可能耗尽，但其他星系的结果尚不明确。
• 剥离尾部中观测到的X射线/Hα比值（≈3.5）与星系风中的比值（1.2–5.6）相近，但比X射线低温核心中的比值（如猎户座中的0.18）大近20倍，凸显多相气体行为在不同环境中的差异。