[论文解读] Galaxy clusters and the cosmic cycle of baryons across cosmic times

R. Giacconi, S. Borgani+19 more|ArXiv.org|Feb 27, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 11

一句话总结

本文倡导利用广角X射线望远镜（WFXT）开展广域X射线巡天，通过研究星系团中高温等离子体来追踪宇宙中重子物质的循环过程。该研究提出，此类巡天——结合数千平方度范围内的高灵敏度与优异角分辨率——将解决关于熵注入、金属丰度增强、冷核心形成以及z~2时原星系团演化等关键科学问题，为河外天文学奠定变革性的科学遗产。

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? We show that a highly 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

• 通过观测星系团中高温重子物质的X射线特性，理解宇宙结构的形成历史。
• 解决关于熵注入、金属丰度增强以及星际介质（IGM）中冷核心形成等尚未明确的问题。
• 探索z~2时原星系团与恒星形成峰值及黑洞吸积峰值之间的关联。
• 建立大范围面积X射线巡天，为未来多波段天文学奠定基础性科学遗产。
• 展示WFXT与未来地面及空间望远镜在全电磁波段上的科学协同效应。

提出的方法

• 提出一项广域X射线巡天，其灵敏度与深空Chandra和XMM-Newton点源观测相当。
• 利用广角X射线望远镜（WFXT），在大视场（FoV）范围内保持优异的点扩散函数（PSF）。
• 结合从射电到X射线波段的多波段观测数据，追踪重子物质循环过程。
• 以Chandra和XMM-Newton的深空X射线数据为基准，指导巡天设计与科学目标设定。
• 通过星系团高温等离子体的统计与空间分布分析，推断熵历史、金属丰度与冷却过程。
• 建立星系团中重子演化的模型，将观测到的X射线特性与恒星形成及黑洞吸积历史相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在星系团的星际介质（IGM）中，熵是何时以及通过何种物理机制被注入的？
• RQ2 星际介质中金属丰度的历史演化过程如何？其如何反映过去的恒星形成与超新星活动？
• RQ3 决定星系团中冷核心形成与稳定性的物理过程是什么？
• RQ4 红移z~2时的原星系团与宇宙恒星形成峰值及超大质量黑洞吸积峰值之间存在何种关联？
• RQ5 活动星系核（AGN）反馈在调节星际介质热力学状态方面发挥何种作用？

主要发现

• 广域X射线巡天的灵敏度需与深空Chandra和XMM-Newton观测相当，方能实现对宇宙重子循环的时序追踪。
• WFXT任务概念具备高巡天速度与大视场内优异PSF的独特组合，可实现对星系团热力学特性的大尺度研究。
• 此类巡天将揭示IGM的熵历史，揭示AGN与超新星反馈在宇宙时空中累积的影响。
• IGM中的金属丰度分布可追溯至z~2恒星形成峰值时期，从而将重子循环与星系演化相联系。
• 冷核心的形成可能由辐射冷却、AGN反馈与湍流加热共同决定，其可观测特征体现在X射线表面亮度与温度分布剖面中。
• WFXT与未来多波段设施之间的协同效应，将为河外天文学创造变革性的科学遗产数据集。