[论文解读] Astrophysics and cosmology with galaxy clusters: the WFXT perspective

S. Borgani, P. Rosati+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2010

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，宽视场X射线望远镜（WFXT）对于推动天体物理学和宇宙学的发展至关重要，其能够实现对星系团的大面积、深空X射线巡天。通过在大视场范围内兼具高灵敏度和优异的角分辨率，WFXT将解决关于熵注入、金属富集、冷核以及早期星系团形成等关键问题，同时通过测量星系团质量函数的演化和增长速率，对宇宙学参数和引力模型提供精确约束。

ABSTRACT

We discuss the central role played by the X-ray study of hot baryons within galaxy clusters to reconstruct the assembly of cosmic structures and to trace the past history of star formation and accretion onto supermassive Black Holes (BHs). We shortly review the progress in this field contributed by the current generation of X-ray telescopes. Then, we focus on the outstanding scientific questions that have been opened by observations carried out in the last years and that represent the legacy of Chandra and XMM: (a) When and how is entropy injected into the inter-galactic medium (IGM)? (b) What is the history of metal enrichment of the IGM? (c) What physical mechanisms determine the presence of cool cores in galaxy clusters? (d) How is the appearance of proto-clusters at z~2 related to the peak of star formation activity and BH accretion? (e) What do galaxy clusters tell us about the nature of primordial density perturbations and on the history of their growth? We show that the most efficient observational strategy to address these questions is to carry out a large-area X-ray survey, reaching a sensitivity comparable to that of deep Chandra and XMM pointings, but extending over several thousands of square degrees. A similar survey can only be carried out with a Wide-Field X-ray Telescope (WFXT), which combines a high survey speed with a sharp PSF across the entire FoV. We emphasize the important synergies that WFXT will have with a number of future ground-based and space telescopes, covering from the radio to the X-ray bands. Finally, we discuss the immense legacy value that such a mission will have for extragalactic astronomy at large.

研究动机与目标

• 通过深度、大范围的X射线巡天，解决星系团天体物理学和宇宙学中的未解问题。
• 证明宽视场X射线望远镜（WFXT）在实现大规模星系团巡天所需的灵敏度和角分辨率方面具有独特优势。
• 量化WFXT巡天如何通过追踪星系团质量函数的演化，约束宇宙学参数，特别是σ₈和增长指数γ。
• 建立WFXT与未来多波段设施之间的协同效应，以实现对星系团的全面表征。
• 提供一项遗产巡天，以支持对重子循环、反馈机制以及宇宙结构增长的详细研究。

提出的方法

• 提出利用WFXT开展大范围X射线巡天，结合高吞吐量与在整个视场范围内稳定、锐利的点扩散函数（PSF）。
• 利用X射线光度和温度测量，推导出如YX = M_gas × T等星系团质量代理量，以最小化核心区域的污染影响。
• 对星系团质量函数及其红移演化应用统计建模，以约束σ₈和γ等宇宙学参数。
• 通过模拟WFXT在三个巡天区域（1000、3000和10,000 deg²）的性能，估算宇宙学约束。
• 整合未来任务（Euclid、JDEM、ALMA、JWST、ACT、SPT、CCAT）的多波段数据，用于质量交叉校准和物理解释模型的验证。
• 结合X射线、SZ和弱引力透镜数据，独立测量星系团质量分布，以减少系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在星系团的星际介质中，熵在何时以及通过何种机制被注入？
• RQ2 星际介质中金属富集的宇宙历史是怎样的？其与恒星形成和活动星系核反馈有何关联？
• RQ3 决定星系团中冷核存在与稳定性的物理过程是什么？
• RQ4 在z ≈ 2时的原星系团与恒星形成峰值及黑洞吸积活动之间有何关联？
• RQ5 星系团的增长与聚集特性揭示了原初密度扰动的本质以及广义相对论的有效性如何？

主要发现

• 覆盖10,000 deg²的WFXT巡天，对σ₈和γ的宇宙学约束水平可与完整宇宙微波背景（CMB）数据集相媲美。
• 在1000、3000和10,000 deg²三个区域的WFXT巡天组合，显著提升了对增长指数γ和功率谱归一化σ₈的约束精度。
• WFXT将探测约2×10⁵个红移z > 0.5的星系团，使对其中重子循环和反馈过程的详细研究成为可能。
• WFXT与Euclid和JDEM等未来任务的协同，将支持对星系团成员的光谱确认和高分辨率光学成像，从而实现对恒星种群和恒星形成历史的全面表征。
• 结合WFXT与下一代亚毫米波望远镜（如CCAT）的X射线和Sunyaev-Zeldovich（SZ）数据，可提供独立的、非光谱的质量分布，从而降低星系团质量校准中的系统误差。
• WFXT将为未来X射线天文台（如IXO）和亚毫米波设施（如ALMA）的后续观测提供极佳的目标样本，使对高红移星系团中金属丰度和熵结构的详细研究成为可能。