[论文解读] Massive and Refined. II. The statistical properties of turbulent motions in massive galaxy clusters with high spatial resolution

F. Vazza, G. Brunetti+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 95被引用 95

一句话总结

本研究利用20个大质量星系团的高分辨率自适应网格细化模拟，分析星系团内介质（ICM）中的湍流运动。结果表明，主要并合事件在并合星系团中将约20–30%的热能转化为湍流，而宁静星系团的湍流仅占约5%，且模拟得到的湍流能量水平与XMM-Newton的观测上限一致，并与湍流系统中巨大射电晕的形成存在强烈关联。

ABSTRACT

We study the properties of chaotic motions in the intra cluster medium using a set of 20 galaxy clusters simulated with large dynamical range, using the Adaptive Mesh Refinement code ENZO (e.g. Norman et al.2007). The adopted setup allows us to study the spectral and spatial properties of turbulent motions in galaxy clusters with unprecedented detail, achieving an maximum available Reynolds number of the order of R=500-1000 for the largest eddies. The correlations between the energy of these motions in the Intra Cluster Medium and the dynamical state of the host systems are studied, and the statistical properties of turbulent motions and their evolution with time support that major merger events are responsible for the injection of the bulk of turbulent kinetic energy inside cluster. Turbulence is found to account for a 20-30 per cent of the thermal energy in merging clusters, while it accounts for a 5 per cent in relaxed clusters. A comparison of the energies of turbulence and motions in our simulated clusters with present upper-limits in real nearby clusters, recently derived with XMM-Newton (Sanders et al.2010), is provided. When the same spatial scales of turbulent motions are compared, the data from simulations result well within the range presently allowed by observations. Finally, we comment on the possibility that turbulence may accelerate relativistic particles leading to the formation of giant radio halos in turbulent (merging) clusters. Based on our simulations we confirm previous semi-analytical studies that suggest that the fraction of turbulent clusters is consistent with that of clusters hosting radio halos.

研究动机与目标

• 以前所未有的空间分辨率，研究大质量星系团星系团内介质（ICM）中湍流运动的统计特性。
• 确定主要并合事件在向ICM注入湍流动能中的作用。
• 将模拟得到的湍流能量水平与XMM-Newton在10–50 kpc尺度上的观测上限进行比较。
• 探讨湍流与并合星系团中巨大射电晕形成之间的关联。
• 评估经历显著湍流运动的星系团体积比例，并检验其与观测到的射电晕群体的一致性。

提出的方法

• 采用自适应网格细化（AMR）代码ENZO模拟20个大质量星系团，动态范围约为~550，最大雷诺数达到~500–1000。
• 通过分析三维速度场功率谱，表征不同尺度下湍流能量的分布，重点关注$E(k) \sim k^{-5/3 \text{ to } -2}$范围。
• 测量速度场的三阶结构函数，以验证湍流标度律和能量级联行为。
• 将模拟得到的湍流能量分数（$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}}$）与Sanders等（2010）基于XMM-Newton数据对邻近星系团的观测上限进行比较。
• 追踪$z = 0$、$z = 0.3$和$z = 0.6$时湍流能量的时间演化，以评估并合历史及湍流衰减 timescales。
• 评估湍流的空间范围（例如，$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} > 0.15$的星系团体积比例），并将其与模拟和观测中射电晕的出现情况进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同动力学状态的星系团中，大质量星系团ICM内湍流动能的统计分布如何？
• RQ2 主要并合事件在向ICM注入湍流能量方面所占的比重有多大？
• RQ3 模拟得到的湍流能量水平与XMM-Newton在10–50 kpc尺度上的当前X射线观测约束相比如何？
• RQ4 有多少比例的星系团体积表现出足以解释巨大射电晕形成的持续湍流？
• RQ5 湍流的存在与大质量星系团中巨大射电晕出现之间是否存在统计相关性？

主要发现

• 主要并合事件是湍流动能注入的主要驱动力，在并合星系团中占热能的约20–30%。
• 宁静星系团的湍流显著较低，$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} \sim 5\%$，表明其具有强烈的动力学状态依赖性。
• 在10–50 kpc尺度上，模拟得到的湍流能量水平与XMM-Newton的观测上限一致，特别是$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} \leq 20\%$。
• 速度场的功率谱在波数近两个甲子范围内呈现$E(k) \sim k^{-5/3 \text{ to } -2}$，表明能量级联过程稳健。
• 在并合星系团中，约三分之一的体积在Mpc尺度上表现出$E_{\text{turb}}/E_{\text{therm}} > 0.15-0.30$，与观测中拥有巨大射电晕的大质量星系团的比例相符。
• 发现自上次主要并合事件以来的回溯时间与当前湍流水平之间存在负相关性，表明主要事件后的湍流随时间衰减。