[论文解读] Radio Halos of Galaxy Clusters from Hadronic Secondary Electron Injection in Realistic Magnetic Field Configurations

Klaus Dolag, T. A. Enßlin|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

该论文提出，星系团中的射电晕由宇宙射线质子（CRp）与星系团内介质（ICM）发生强子相互作用所产生的二次电子的同步辐射产生。利用具有真实磁场结构的宇宙学磁流体动力学（MHD）模拟，研究显示，当宇宙射线质子能量密度与热ICM能量密度之比保持恒定（按 $E_{\rm p,min}^{-0.375}$ 标度）时，4%至14%的比值可重现后发星系团的射电光度、径向分布、低偏振度以及 $T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$ 关系，同时预测未来可观测范围内可探测到的伽马射线和中微子通量。

ABSTRACT

We investigate the possibility that radio halos of clusters of galaxies are caused by synchrotron emission of cosmic ray electrons (CRe), which were produced by cosmic ray protons (CRp) interacting hadronically with the intra-cluster medium (ICM) protons. We perform cosmological magneto-hydrodynamics (MHD) simulations to obtain a sample of ten magnetized galaxy clusters. They provide realistic models of the gas and magnetic field distribution, needed to predict the CRe production rates, their cooling, and their synchrotron emissivity. We assume a CRp population within the ICM with an energy density which has a constant ratio to thermal energy density. This ratio is adjusted in such a way that one of the simulated clusters reproduces the radio luminosity of the radio halo of the Coma cluster of galaxies. Our model exhibits the observed low degree of radio polarization and has a similar radial emission profile as the Coma cluster. We provide estimates for the expected gamma ray and neutrino flux. The necessary CRp/thermal energy ratio is 4 ... 14% ${(E_{p,min}/GeV)}^{-0.375}$ (for the range of magnetic field strengths suggested by Faraday measurements), where $E_{p,min}$ is the lower kinetic energy cutoff of the CRp with spectral index $\\alpha_p \\approx 2.375$. Assuming this ratio to be the same in the whole set of simulated clusters a $T_x-L_\ u$ relation is predicted which follows the observed relation well.

研究动机与目标

• 测试星系团射电晕是否可由宇宙射线质子（CRp）与星系团内介质（ICM）相互作用产生的二次电子的同步辐射解释。
• 研究真实、非均匀磁场构型对射电晕形态与偏振的影响，与先前假设均匀磁场的模型形成对比。
• 确定为重现观测到的射电光度（特别是后发星系团）所需的CRp能量密度与热能之比。
• 预测相同强子过程产生的伽马射线与中微子发射，并与观测限制进行比较。
• 评估该模型是否能再现一组模拟星系团中观测到的 $T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$ 关系。

提出的方法

• 使用宇宙学磁流体动力学（MHD）模拟生成了十个具有自洽气体与磁场分布的真实星系团模型。
• 磁场结构源自种子场放大模拟，得到非均匀、与法拉第旋转测量一致的真实构型。
• 在所有星系团中假设CRp能量密度与热ICM能量密度之比恒定，其归一化通过将模拟的后发星系团类星系团的射电光度与观测值匹配来设定。
• 通过CRp与ICM质子的强子相互作用建模二次电子的产生，假设CRp能谱为单一幂律谱，指数 $\alpha_{\rm p} \approx 2.375$。
• 基于模拟的磁场和电子能谱，计算同步辐射发射率与冷却时间，假设无显著再加速或扩散过程。
• 利用推导出的质子谱和磁场依赖的能量损失率，估算相同强子相互作用中产生的带电π介子衰变产生的伽马射线与中微子通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实磁场中，通过CRp–ICM相互作用产生的二次电子的强子起源是否能重现后发星系团射电晕的观测径向强度分布？
• RQ2 在真实磁场构型下，为匹配后发星系团1.4 GHz观测光度，所需的CRp能量密度与热能之比是多少？
• RQ3 该模型是否预测与观测一致的射电偏振水平？该偏振水平是否主要由磁场拓扑结构决定？
• RQ4 该模型能否在一组模拟星系团中重现观测到的 $T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$ 关系？
• RQ5 此类强子机制预期的伽马射线与中微子通量是多少？与当前及未来观测限制相比如何？

主要发现

• 为在模拟模型中重现后发星系团1.4 GHz光度，所需的CRp能量密度与热能之比为4%至14%，并按 $(E_{\rm p,min}/{\rm GeV})^{-0.375}$ 标度。
• 模拟的后发星系团类星系团的射电晕表现出与后发星系团射电晕观测径向分布非常接近的分布。
• 该模型预测的射电偏振度约为 $10^{-6}$，与星系团射电晕中观测到的低偏振度一致，主要归因于非均匀的磁场结构。
• 在模拟的后发星系团类星系团中，点对点的射电与X射线表面亮度相关性斜率 ($b \approx 1.26$) 比观测关系更陡（$b \leq 1$），表明若强子模型正确，CRp能量密度的空间分布必须比热气体更广延。
• 在所有星系团中假设CRp能量密度与热能之比恒定的条件下，模拟星系团样本出人意料地良好地重现了观测到的 $T_X$–$L_{\rm 1.4GHz}$ 关系。
• 后发星系团类星系团预测的伽马射线通量（高于100 MeV）不超过 $5.2 \times 10^{-8}\, {\rm cm^{-2}\,s^{-1}}$，与EGRET上限相当，且低于当前仪器的探测阈值，但未来望远镜可能探测到。