[论文解读] Cluster Radio Relics as a Tracer of Shock Waves of the Large-Scale Structure Formation

T. A. Enßlin, Peter L. Biermann+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 1997

Astro and Planetary Science被引用 37

一句话总结

该论文提出，星系团中的射电遗迹追踪了大尺度结构形成过程中的宇宙学激波，其中相对论性电子在星系团的吸积或并合激波中被加速。九个遗迹的观测数据与激波特性的预测一致，包括激波加速、谱指数、偏振度和激波特参数，为结构形成理论中预测的这些激波提供了首个直接证据。

ABSTRACT

We present evidence for the existence of shock waves caused by the formation of the large-scale structure. In some clusters of galaxies peripherally located sources of extended diffuse radio emission exist, the so-called cluster radio relics. They have steep radio spectra but no apparent cutoff, as old remnants of radio galaxies usually have. Therefore particle acceleration has to take place within them. We propose that shock structures of the cosmological large-scale matter flows are responsible for the acceleration of relativistic electrons: cluster accretion shocks and bow shocks of merger events. We develop a theory of radio plasma having traversed these shocks and compare it to observational data of nine radio relics (0038-096, 0917+75, 1140+203, 1253+275, 1712+64, 1706+78, 2006-56, 2010-57, 1401-33) and their host clusters (A85, A786, A1367, Coma, A2255, A2256, A3667, S753). The necessary accretion power, the spectral index of the radio spectrum, the acceleration efficiency of the shock, the diffusion coefficient in the post-shock region, and the predicted radio polarization in all of our examples fit into a coherent interpretation of the observational data. Since polarization measurements are available only for four sources, the predictions of our theory can be independently checked using other examples. The predicted values of the shock compression ratio, density and temperature of the infalling gas, magnetic field strength of the shocked and unshocked radio plasma are discussed within the frame of structure formation theory.

研究动机与目标

• 研究星系团中扩展的非热射电发射的起源，特别是具有陡谱且无截止的射电遗迹。
• 确定这些遗迹是否由大尺度结构流中激波对相对论性电子的加速所驱动。
• 检验遗迹观测到的谱指数、偏振度和射电发射特性是否能用星系团吸积或并合事件中的激波模型加以解释。
• 将激波特参数（压缩比、磁场、密度、温度）与宇宙学大尺度结构形成理论联系起来。
• 利用射电遗迹数据，对理论上预测的大尺度结构激波提供观测验证。

提出的方法

• 使用一维流体动力学模拟建模星系团吸积激波，采用多方气体（γ = 5/3）和爱因斯坦-德西特宇宙学模型。
• 基于观测的X射线温度kTobs，利用Ryu & Kang（1997）和Kang et al.（1997）的经验关系推导激波半径rs和激波速度Vs。
• 应用扩散激波加速理论，估算在磁场中相对论性电子的能量谱和射电发射。
• 根据激波几何结构、视线方向与磁场取向，计算预期的射电偏振度。
• 将预测的谱指数、偏振度水平和激波特参数与九个射电遗迹及其宿主星系团的多波段观测进行比较。
• 采用两种独立方法（谱谱转折处的年龄和能量损失 timescales）估算遗迹等离子体的年龄，以验证模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系团射电遗迹的陡谱且无截止的射电谱是否能由大尺度结构激波中的连续粒子加速机制解释？
• RQ2 遗迹观测到的偏振特性是否与激波几何结构和磁场取向的预测一致？
• RQ3 推断出的激波压缩比、磁场强度和电浆密度是否与宇宙学大尺度结构形成模型一致？
• RQ4 观测到的谱指数和偏振度水平是否可用于约束视线方向与星系团中心相对的激波位置？
• RQ5 对遗迹等离子体年龄的估算是否支持激波加速模型，而非其他机制？

主要发现

• Coma遗迹1253+275的观测谱指数和偏振度与吸积激波的预测一致，支持激波加速模型。
• 对于其余八个遗迹，推断出的激波特参数（压缩比、磁场强度、密度、温度）与宇宙学大尺度结构形成一致，气体温度为0.5–1 keV，表明存在预热现象。
• A2256中1706+78的偏振度超过预测值，表明其并非位于吸积激波，而是处于内部并合激波，激波半径约为~1 Mpc h50⁻¹。
• 模型预测的偏振度：A3667中2006-56约为30%，A3667中2010-57约为10%，而0038-096、1140+203和1401-33均小于5%，为未来观测提供了可检验的预测。
• 对遗迹等离子体的两种独立年龄估算结果约为10⁸年，支持激波加速模型，并排除了更早的注入时间。
• 投影磁场方向与从遗迹指向星系团中心的连线垂直，与理论预期一致。