[论文解读] Cosmological Implications and Physical Properties of an X-Ray Flux-Limited Sample of Galaxy Clusters

T. H. Reiprich|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 263被引用 7

一句话总结

本文基于ROSAT全源巡天数据，提出一个63个星系团的通量受限X射线样本（HIFLUGCS），用于约束宇宙学参数。通过深度X射线观测与质量函数分析，得出Ωₘ = 0.12⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁴和σ₈ = 0.96⁺⁰.¹⁵₋₀.¹²，表明约90%的宇宙质量存在于星系团的引力半径之外，且多种独立方法结果高度一致。

ABSTRACT

The original abstract significantly exceeds the space available here, so here's a brief summary. The abstract is similar to the abstract of astro-ph/0111285 (ApJ, 567, 716) which describes the X-ray galaxy cluster sample HIFLUGCS, the X-ray luminosity--gravitational mass relation, the cluster mass function, and the derived cosmological constraints. Additionally, the fraction of the total gravitating mass in the universe which is contained in intracluster gas is quantified. Furthermore, physical properties of the cluster sample have been studied and analyses of relations between different cluster parameters (including the gas mass fraction, gas temperature, X-ray luminosity, gas mass, gravitational mass, beta, and core radius) are discussed. Also, results from an analysis of XMM-Newton performance verification phase data of Abell 1835 are described.

研究动机与目标

• 利用通量受限的X射线星系团样本确定宇宙的平均物质密度（Ωₘ）。
• 检验X射线星系团关系与自相似模型及流体动力学模拟的一致性。
• 从引力质量函数推导物质密度涨落幅度（σ₈）的约束。
• 评估星系团及星系际气体质量占临界密度的比例。
• 评估质量函数与宇宙学参数估计中的系统不确定性。

提出的方法

• 基于ROSAT全源巡天数据，构建一个通量受限的X射线星系团样本（HIFLUGCS），通量限为0.1–2.4 keV波段内2×10⁻¹¹ erg s⁻¹ cm⁻²。
• 利用深度指向式XMM-Newton观测测量星系团温度，并检验外区等温气体假设的合理性。
• 采用多种统计方法拟合X射线光度–质量关系与温度–质量关系，以量化弥散度与归一化值。
• 将观测到的引力质量函数与Press–Schechter预测进行比较，以约束Ωₘ与σ₈。
• 对质量函数进行积分，估算星系团及星系际气体中质量的总比例，归一化至临界密度。
• 通过独立的气体质量分数与质量-光度比估计进行交叉验证，并结合核合成理论。

实验结果

研究问题

• RQ1 从X射线星系团质量函数推断，宇宙的平均物质密度Ωₘ是多少？
• RQ2 观测到的X射线关系（L_X–T_X，M_tot–T_X）与自相似模型及流体动力学模型预测相比如何？
• RQ3 宇宙中总引力质量中有多大比例存在于星系团及其星系际气体中？
• RQ4 质量函数建模与模拟比较中的系统不确定性如何影响宇宙学参数约束？
• RQ5 是否存在质量依赖的形成红移或非引力物理效应影响星系团关系的证据？

主要发现

• HIFLUGCS的引力质量函数给出Ωₘ = 0.12⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁴与σ₈ = 0.96⁺⁰.¹⁵₋₀.¹²（90%置信水平），多种独立方法结果一致。
• M_tot–T_X关系的斜率更陡峭，归一化值更低，与自相似模型预测不符，与先前结果一致。
• 星系团中星系际气体质量分数不随温度变化，但在星系群中（k_B T_X ≤ 2 keV）呈现急剧下降。
• 质量大于M₂₀₀ > 6.4×10¹³ h₅₀⁻¹ M☉的星系团中，质量分数为Ω_Cluster = 0.012⁺⁰.⁰⁰³₋₀.⁰⁰⁴，表明约90%的质量位于引力半径之外。
• 星系团中星系际气体质量分数极小：对于气体质量大于6.9×10¹² h₅₀⁻⁵/² M☉的星系团，Ω_b,Cluster = 0.0015⁺⁰.⁰⁰⁰²₋₀.⁰⁰⁰¹ h₅₀⁻¹.⁵。
• 系统性测试表明，Press–Schechter模型与N体模拟的偏差小于统计不确定性，支持宇宙学约束的稳健性。