[论文解读] On the prospect of discovering `galaxy groups' through radio observations

Surajit Paul, Prateek Gupta+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 3

一句话总结

本研究基于宇宙学流体动力学模拟（ENZO），提出了一种针对星系群和星系团的新型射电辐射模型，结合了扩散性激波加速（DSA）与湍流再加速（TRA）机制，以计算同步辐射发射。研究发现质量-射电功率关系更为平坦（$M_{500} \propto P_{1.4\text{GHz}}^{2.17\pm0.08}$），且X射线 luminosity 与射电功率之间存在强烈相关性，预测质量低于 $10^{14}\,M_\odot$ 的星系群中可检测到射电信号（约10–100 $\mu$Jy/beam），使当前及未来射电望远镜（如SKA和uGMRT）能够探测到这些源。

ABSTRACT

Observed steep mass scaling of radio power from the available high mass clusters has ruled out the prospect of detection of 'galaxy groups'. But, the available simulations and observations of thermal emissions show that the groups are merger prone, thus non-virialised, indicating better visibility in the radio waves. Detection of radio emissions from them would help us to understand the scale-dependent particle acceleration mechanisms also groups can be a unique laboratory to test the models of cosmic magnetism and canbe the potential source of WHIMs. So, we have modelled radio emissions from the simulated structures using {\sc{ENZO}}. We present a model for computing magnetic field and for the first time, used the electron energy spectrum from both the Fermi I (DSA) and Fermi II (TRA) mechanisms to compute radio emissions. Computed radio power from more than 200 simulated objects, mass ranging $\geq 10^{13}$ to $2 imes 10^{15} M_{\odot}$ show a new mass scaling of $M_{500} \propto P_{1.4\;GHz}^{2.17\pm 0.08}$ and a strong correlation scale of $L_X \propto P_{1.4\;GHz}^{1.08\pm 0.05}$. Both magnetic field and radio power are shown to have adequately replicated the available observations at high mass, allowing us to extend the results to further smaller masses. We report that groups below $10^{14}\; m{M_{\odot}}$ show the existence of 10s of nano to a sub-$μ$G magnetic field and about 10$^{19-23}$ W Hz$^{-1}$ of radio power, much higher than what existing mass scaling predicts. We found that the combined radio power from TRA and DSA electrons can only fit very well to all the observed `radio halos'. Finally, we have implemented this model on a real data set obtained from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). It predicts about 10s to 100s $μ$Jy/(10$\arcsec$ beam) of radio flux in groups indicating their detectability with existing and aplenty with the future radio telescopes.

研究动机与目标

• 解决低质量星系群中非热射电辐射在观测与理论上的理解不足问题。
• 检验从大质量星系团中获得的现有质量-射电功率关系是否可外推至星系群。
• 在宇宙学模拟中，结合DSA与TRA机制，对星系际介质电子的磁场与同步辐射射电发射进行建模。
• 评估当前及未来射电望远镜对星系群射电发射的可探测性。
• 探索星系群作为宇宙磁学与缺失重子问题（WHIM）研究探针的潜力。

提出的方法

• 利用ENZO代码中的宇宙学流体动力学模拟，构建质量范围为 $\geq 10^{13}$ 至 $2\times10^{15}\,M_\odot$ 的星系群与星系团。
• 基于湍流饱和机制建模磁场强度，假设 $B \propto \rho^{1/2} v_{\text{turb}}^{1/2}$。
• 通过DSA与TRA机制计算电子能量谱，以估算1.4 GHz频段的同步辐射射电发射。
• 采用时间冻结模拟快照方法，计算射电功率与磁场，不考虑辐射传输或谱老化效应。
• 基于SDSS星系群星表数据，利用速度 dispersion 与密度的标度关系，将模型应用于真实星系群，估算射电流量。
• 通过高质质量区的观测数据验证模型，对比 $P_{1.4\text{GHz}}$–$L_X$ 与 $M_{500}$–$P_{1.4\text{GHz}}$ 标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在大质量星系团中观测到质量-射电功率关系陡峭，质量低于 $10^{14}\,M_\odot$ 的星系群是否仍能产生可探测的射电发射？
• RQ2 与仅考虑TRA机制相比，DSA与TRA联合机制是否能更好地解释星系团中观测到的射电晕发射？
• RQ3 低质量星系群中的预测射电流量水平如何？是否可被现有或未来的射电望远镜探测到？
• RQ4 在低质量区域，$M_{500}$–$P_{1.4\text{GHz}}$ 与 $L_X$–$P_{1.4\text{GHz}}$ 标度关系的行为如何？
• RQ5 星系群能否作为宇宙磁学与WHIM起源研究的有效探针？

主要发现

• 模型预测星系群与星系团的质量-射电功率关系更为平坦，为 $M_{500} \propto P_{1.4\text{GHz}}^{2.17\pm0.08}$，与大质量星系团中观测到的陡峭 $\sim4$ 次幂关系明显不同。
• 发现X射线 luminosity 与射电功率之间存在强相关性：$L_X \propto P_{1.4\text{GHz}}^{1.08\pm0.05}$，与观测结果一致。
• 质量低于 $10^{14}\,M_\odot$ 的星系群中，磁场强度达数十nG至亚$\mu$G量级，为湍流发电机理论提供了测试平台。
• 星系群中的射电功率范围为 $10^{19}$ 至 $10^{23}$ W Hz$^{-1}$，显著高于仅基于星系团标度关系的预测值。
• 联合使用DSA+TRA的模型比仅使用TRA的模型更符合星系团中观测到的射电晕发射，表明并合激波起着关键作用。
• 基于SDSS数据的模型预测，许多星系群的射电流量为 $\sim$10–100 $\mu$Jy/beam，其中约3%可被当前望远镜探测，而SKA可探测比例高达20%。