[论文解读] Origin of central abundances in the hot intra-cluster medium - I. Individual and average abundance ratios from XMM-Newton EPIC

François Mernier, J. de Plaa+6 more|Strathprints: The University of Strathclyde institutional repository (University of Strathclyde)|Jun 3, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 57被引用 29

一句话总结

本研究利用XMM-Newton EPIC与RGS对44个近邻低温核心星系团、星系群及椭圆星系的观测数据，测定了迄今最精确的热星系际介质（ICM）中X/Fe丰度比。研究确认了在宽温度范围（0.6–8 keV）内丰度比的一致性，首次以超过4σ的显著性水平确认检测到Mn/Fe与Cr/Fe，且发现铁丰度在0.05r₅₀₀范围内显著变化（20–40%的离散度），系统误差主导于统计误差，标志着当前ICM丰度精度的观测极限。

ABSTRACT

The hot intra-cluster medium (ICM) is rich in metals, which are synthesized by supernovae (SNe) explosions and accumulate over time into the deep gravitational potential well of clusters of galaxies. Since most of the elements visible in X-rays are formed by type Ia (SNIa) and/or core-collapse (SNcc) supernovae, measuring their abundances gives us direct information on the nucleosynthesis products of billions of SNe since the epoch of the star formation peak (z ~ 2-3). In this study, we use the EPIC and RGS instruments onboard XMM-Newton to measure the abundances of 9 elements (O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca, Fe and Ni) from a sample of 44 nearby cool-core galaxy clusters, groups, and elliptical galaxies. We find that the Fe abundance shows a large scatter (~20-40%) over the sample, within 0.2$r_{500}$ and, especially, 0.05$r_{500}$. Unlike the absolute Fe abundance, the abundance ratios (X/Fe) are quite uniform over the considered temperature range (~0.6-8 keV), and with a limited scatter. In addition to a unprecedented treatment of systematic uncertainties, we provide the most accurate abundance ratios measured so far in the ICM, including Cr/Fe and Mn/Fe that we firmly detect (>4σ with MOS and pn independently). We find that Cr/Fe, Mn/Fe and Ni/Fe, differ significantly from the proto-solar values. However, the large uncertainties in the proto-solar abundances prevent us from making a robust comparison between the local and the intra-cluster chemical enrichments. We also note that, interestingly, and despite the large net exposure time (~4.5 Ms) of our dataset, no line emission feature is seen around ~3.5 keV.

研究动机与目标

• 测量热星系际介质（ICM）中O、Ne、Mg、Si、S、Ar、Ca、Cr、Mn和Ni相对于Fe的最精确丰度比。
• 评估在低温核心系统中，0.6–8 keV宽温度范围内X/Fe丰度比的一致性。
• 通过将ICM丰度与原太阳值对比，并评估Ia型超新星与SNcc超新星的作用，探究化学富集的起源。
• 确定此前报道可能为惰性中微子衰变信号的3.5 keV发射线是否存在于ICM中。

提出的方法

• 分析44个低温核心星系团、星系群及椭圆星系（CHEERS样本）的XMM-Newton EPIC（MOS与pn）及RGS光谱。
• 使用XSPEC进行光谱拟合，采用APEC与MEKAL等离子体发射模型，并对仪器校准与背景建模带来的系统误差进行详细处理。
• 在0.05r₅₀₀与0.2r₅₀₀半径范围内对单个光谱进行堆叠，以提升低丰度元素（如Cr与Mn）的信噪比。
• 分别使用MOS与pn仪器独立测量Cr/Fe与Mn/Fe，以确认检测结果的稳健性。
• 将观测到的丰度比与原太阳值对比，同时考虑太阳丰度的不确定性。
• 利用高信噪比堆叠光谱评估3.5 keV区域，以检验暗物质衰变可能产生的发射线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同温度的星系团、星系群及椭圆星系系统中，ICM的X/Fe丰度比是否在不同系统间保持一致？
• RQ2 鉴于其预期发射强度较低，Mn/Fe与Cr/Fe丰度比在ICM中的显著性与可靠性如何？
• RQ3 在堆叠的ICM光谱中未检测到3.5 keV发射线，是否对惰性中微子衰变作为暗物质候选者的假设构成挑战？
• RQ4 X射线光谱学中的系统误差如何影响ICM丰度测量的解释，特别是对铁及其他关键元素的影响？
• RQ5 观测到的ICM丰度比与原太阳值相比偏离程度如何？这些偏离对Ia型与SNcc超新星核合成产额意味着什么？

主要发现

• 在0.6–8 keV的温度范围内，O/Fe、Ne/Fe、Mg/Fe、Si/Fe、S/Fe、Ar/Fe、Ca/Fe、Cr/Fe、Mn/Fe与Ni/Fe等X/Fe丰度比在样本中表现出极高的均匀性，表明不同系统间存在一致的富集机制。
• Cr/Fe与Mn/Fe在MOS与pn仪器中均以超过4σ的显著性水平被检测到，标志着首次在热ICM中确证检测到Mn，并以高置信度确认了Cr/Fe。
• 尽管总有效曝光时间约为4.5 Ms，但在~3.5 keV处未检测到发射线，挑战了此前关于ICM中可能存在惰性中微子衰变信号的报道。
• 铁丰度在样本中变化达20–40%，尤其在0.05r₅₀₀范围内，表明其强烈依赖于单个星系团的历史与径向结构。
• 系统误差在丰度测量中占主导地位，当正确考虑后，大多数ICM丰度比与原太阳值一致。
• Mn/Fe、Ni/Fe，以及可能的Cr/Fe，显著高于太阳邻域值，提示核合成产额与标准模型存在偏离。