[论文解读] Heating of the IGM

Ue‐Li Pen|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用 50

一句话总结

本文提出，通过诸如大质量超新星爆发等剧烈过程，宇宙大尺度结构中的介质（IGM）被加热至约1 keV，利用维里定理和Press-Schechter形式化方法对团块化和X射线背景（XRB）辐射进行建模。研究发现，为匹配观测结果，需注入1 keV/核子的能量，排除了辐射或引力加热作为主要热源，并预测在约10 keV/cm² s sr keV处存在可探测的软X射线背景辐射通量。

ABSTRACT

Using the cosmic virial theorem, Press-Schechter analysis and numerical simulations, we compute the expected X-ray background (XRB) from the diffuse IGM with the clumping factor expected from gravitational shock heating. The predicted fluxes and temperatures are excluded from the observed XRB. The predicted clumping can be reduced by entropy injection. The required energy is computed from the two-point correlation function, as well as from Press-Schechter formalisms. The minimal energy injection of 1 keV/nucleon excludes radiative or gravitational heating as a primary energy source. We argue that the intergalactic medium (IGM) must have been heated through violent processes such as massive supernova bursts. If the heating proceeded through supernova explosions, it likely proceeded in bursts which may be observable in high redshift supernova searches. Within our model we reproduce the observed cluster luminosity-temperature relation with energy injection of 1 keV/nucleon if this injection is assumed to be uncorrelated with the local density. These parameters predict that the diffuse IGM soft XRB has a temperature of ~1 keV with a flux near 10 keV/cm^2 s str keV, which may be detectable in the near future.

研究动机与目标

• 确定为使理论预测的X射线背景（XRB）通量与观测结果一致，IGM中所需的能量注入量。
• 评估引力激波加热或辐射过程是否足以解释IGM加热，使用宇宙维里定理和Press-Schechter分析。
• 评估熵注入在降低IGM团块化程度中的作用及其对XRB通量预测的影响。
• 在假设能量注入与局部密度无关的前提下，使用1 keV/核子的能量注入模型重现观测到的星系团光度-温度关系。
• 基于模型参数，预测弥散IGM软X射线背景组分的可探测性。

提出的方法

• 应用宇宙维里定理，基于引力势能和激波加热引起的团块化，估算IGM中的热能。
• 采用Press-Schechter形式化方法，对暗物质晕的质量函数进行建模，并推断预期的IGM团块化因子。
• 结合数值模拟，验证来自弥散IGM辐射的理论XRB通量和温度。
• 利用两点相关函数计算所需能量注入量，以约束能量输入的空间分布。
• 评估无关联能量注入（1 keV/核子）对IGM温度和XRB能谱的影响。
• 在相同能量注入假设下，评估模型与观测到的星系团光度-温度关系的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为使理论预测的X射线背景通量与观测值一致，IGM中需要多大的能量注入？
• RQ2 仅靠引力激波加热或辐射过程是否足以解释观测到的IGM温度和XRB通量？
• RQ3 熵注入如何影响IGM的团块化因子以及由此产生的弥散IGM XRB辐射？
• RQ4 当1 keV/核子的能量注入率与局部密度无关时，是否能重现观测到的星系团光度-温度关系？
• RQ5 弥散IGM的软X射线通量预测值是多少？其在未来是否可能被探测到？

主要发现

• 为使理论预测的X射线背景与观测结果一致，需最小注入1 keV/核子的能量，排除了辐射或引力加热作为主要热源。
• 该模型预测弥散IGM存在温度约为1 keV的软X射线背景辐射，通量接近10 keV/cm² s sr keV。
• 当假设能量注入为1 keV/核子且与局部密度无关时，可成功重现观测到的星系团光度-温度关系。
• 所需能量注入表明，IGM是通过诸如大质量超新星爆发等剧烈过程被加热的，这些过程可能以可被高红移超新星巡天探测到的爆发形式发生。
• 预测的XRB通量处于未来观测任务可探测的范围内。
• 通过熵注入可降低IGM的团块化程度，这有助于调和理论预测与观测到的XRB水平之间的差异。