[论文解读] Non-thermal emission and dynamical state of massive galaxy clusters from CLASH sample

M. Pandey-Pommier, Johan Richard+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用多波段数据（GMRT、Chandra、HST）分析了CLASH巡天中的14个大质量星系团，将非热射电发射与基于X射线和弱引力透镜质量图推断的动力学状态相联系。研究发现，超陡谱射电 halo（α < -1.5）和偏移的射电-质量峰值表明正在进行并合；而冷却核心星系团中X射线、射电与质量峰值对齐则表明系统处于准稳态，揭示了在准稳系统中重子物质与暗物质之间存在紧密耦合。

ABSTRACT

Massive galaxy clusters are the most violent large scale structures undergoing merger events in the Universe. Based upon their morphological properties in X-rays, they are classified as un-relaxed and relaxed clusters and often host (a fraction of them) different types of non-thermal radio emitting components, viz., haloes, mini-haloes, relics and phoenix within their Intra Cluster Medium (ICM). The radio haloes show steep (alpha = -1.2) and ultra steep (alpha &lt; -1.5) spectral properties at low radio frequencies, giving important insights on the merger (pre or post) state of the cluster. Ultra steep spectrum radio halo emissions are rare and expected to be the dominating population to be discovered via LOFAR and SKA in the future. Further, the distribution of matter (morphological information), alignment of hot X-ray emitting gas from the ICM with the total mass (dark + baryonic matter) and the bright cluster galaxy (BCG) is generally used to study the dynamical state of the cluster. We present here a multi wavelength study on 14 massive clusters from the CLASH survey and show the correlation between the state of their merger in X-ray and spectral properties (1.4 GHz - 150 MHz) at radio wavelengths. Using the optical data we also discuss about the gas-mass alignment, in order to understand the interplay between dark and baryonic matter in massive galaxy clusters.

研究动机与目标

• 研究大质量星系团中非热射电发射与动力学状态之间的相关性。
• 确定并合活动如何影响星系团内介质（ICM）中弥漫射电发射的谱性指数（谱指数）和形态。
• 通过检查X射线辐射气体、总质量（暗物质+重子物质）与射电发射之间的对齐关系，推断并合过程中暗物质与重子物质的相互作用。
• 识别并表征超陡谱射电 halo（USSR）作为并合后或剧烈并合阶段的指标。
• 评估星系团核心状态（冷却核心 vs. 非冷却核心）在塑造弥漫射电发射的空间分布与谱性特征中的作用。

提出的方法

• 利用低频GMRT观测（最低至150 MHz）和高频VLA数据（1.4 GHz）计算150 MHz至1.4 GHz之间的谱指数（α）。
• 结合Chandra的X射线数据评估星系团形态状态（冷却核心 vs. 非冷却核心）及X射线辐射的质心偏移。
• 利用HST和MUSE数据进行弱引力透镜分析，重建总质量图，揭示暗物质的分布。
• 叠加GMRT射电轮廓、Chandra X射线发射与弱引力透镜总质量图，研究射电、X射线与质量峰值的空间对齐情况。
• 根据射电形态（halo、mini-halo、relic、phoenix）和谱指数值对星系团进行分类，以推断并合阶段（并合前/后）。
• 通过X射线质心偏移（在500 kpc孔径内，X射线峰值与质心之间投影距离的标准差）量化星系团的弛豫程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量星系团中弥漫射电发射的谱指数与其动力学状态（准稳态 vs. 非准稳态）之间有何相关性？
• RQ2 在冷却核心与非冷却核心星系团中，射电发射、X射线辐射气体与总质量（暗物质）之间的空间关系如何？
• RQ3 超陡谱射电 halo（α < -1.5）是否更可能出现在经历或正在从主要并合中恢复的星系团中？
• RQ4 X射线、射电与质量峰值的对齐情况如何反映并合活动程度以及重子物质与暗物质之间的耦合？
• RQ5 射电与质量峰值之间的偏移表明了星系团的动力学状态及其演化状态的何种信息？

主要发现

• 在14个星系团中的5个中检测到超陡谱射电 halo（USSR），其谱指数α₁₄₀₀/₂₃₅ < -1.5，表明其可能处于并合后或晚期并合阶段。
• 在6个冷却核心（CC）星系团中（如RX J1532+3021、MACS J0329-0211），X射线、射电（mini-halo）与总质量峰值对齐，表明动力学状态准稳，无显著并合活动。
• 在非冷却核心（NCC）星系团中，如MACS J0416.1-2403和MACS J1149.5+2223，射电 halo与总质量峰值存在偏移，表明存在正在进行或近期发生的并合活动。
• Abell 209是一个拥有巨大射电 halo的冷却核心星系团，其射电与质量峰值存在偏移，但X射线与质量峰值对齐，表明其在剧烈并合后正经历从NCC向CC的过渡阶段。
• 冷却核心星系团的X射线质心偏移较小（平均偏移 < 100 kpc），与非冷却核心星系团相比，确认其状态更趋准稳，且X射线集中度高于总质量集中度。
• 总质量图（主要由暗物质主导）的中心集中度低于X射线图（重子物质），证实了暗物质的非碰撞特性与重子物质的碰撞特性在星系团并合过程中的表现。