[论文解读] Redshift Evolution of the Feedback / Cooling Equilibrium in the Core of 48 SPT Galaxy Clusters: A Joint $\boldsymbol{Chandra}$-SPT-ATCA analysis

F. Ruppin, Michael McDonald+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究结合钱德拉、SPT和ATCA的联合观测，测量了48个高红移星系团（0.4 < z < 1.3）中的反馈/冷却平衡，通过射电光度估算活动星系核（AGN）腔体功率，并与X射线冷却光度进行比较。结果发现Pcav/Lcool比值在红移上无显著演化，表明射电模式反馈在过去超过90亿年中已与冷却过程达到平衡，且对演化斜率的约束精度提高了2.3倍。

ABSTRACT

We analyze the cooling and feedback properties of 48 galaxy clusters at redshifts $0.4 < z < 1.3$ selected from the South Pole Telescope (SPT) catalogs to evolve like the progenitors of massive and well-studied systems at $z{\sim}0$. We estimate the radio power at the brightest cluster galaxy (BCG) location of each cluster from an analysis of Australia Telescope Compact Array (ATCA) data. Assuming that the scaling relation between radio power and active galactic nucleus (AGN) cavity power $P_{\mathrm{cav}}$ observed at low redshift does not evolve with redshift, we use these measurements in order to estimate the expected AGN cavity power in the core of each system. We estimate the X-ray luminosity within the cooling radius $L_{\mathrm{cool}}$ of each cluster from a joint analysis of the available $Chandra$ X-ray and SPT Sunyaev-Zel'dovich (SZ) data. This allows us to characterize the redshift evolution of the $P_{\mathrm{cav}} / L_{\mathrm{cool}}$ ratio. When combined with low-redshift results, these constraints enable investigations of the properties of the feedback/cooling cycle across 9~Gyr of cluster growth. We model the redshift evolution of this ratio measured for cool core clusters by a log-normal distribution $\mathrm{Log}$-$\mathcal{N}(\alpha + \beta z, \sigma^2)$ and constrain the slope of the mean evolution $\beta = -0.05\pm 0.47$. This analysis improves the constraints on the slope of this relation by a factor of two. We find no evidence of redshift evolution of the feedback/cooling equilibrium in these clusters which suggests that the onset of radio-mode feedback took place at an early stage of cluster formation. High values of $P_{\mathrm{cav}} / L_{\mathrm{cool}}$ are found at the BCG location of non-cool core clusters which might suggest that the timescales of the AGN feedback cycle and the cool core / non-cool core transition are different.

研究动机与目标

• 研究大质量星系团核心中反馈/冷却平衡的红移演化特性。
• 通过使用射电功率作为AGN腔体功率的代理，克服在高红移探测X射线腔体的挑战。
• 利用X射线、SZ和射电数据的联合分析，约束Pcav/Lcool比值的演化特性。
• 检验射电模式反馈是否自星系团形成初期即已活跃。

提出的方法

• 利用ATCA射电数据和低红移校准的射电-腔体功率关系，估算1.4 GHz波段的AGN腔体功率（Pcav）。
• 结合钱德拉X射线与SPT太阳-泽尔多维奇（SZ）数据，估算冷却半径内的X射线冷却光度（Lcool）。
• 将Pcav与Lcool结合，计算48个SPT选中的星系团（0.4 < z < 1.3）的Pcav/Lcool比值。
• 将Pcav/Lcool比值的红移演化建模为对数正态分布Log-N(α + βz, σ²)，并约束斜率β。
• 将高红移结果与低红移数据结合，以提高对反馈-冷却平衡演化的约束。
• 利用深度射电与X射线数据识别核心扰动的星系团，评估并合事件对反馈周期的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z ≈ 0.4至z ≈ 1.3之间，星系团核心的反馈/冷却平衡是否随红移演化？
• RQ2 从射电光度推断的射电模式AGN反馈功率，在高红移是否与X射线冷却光度一致？
• RQ3 Pcav/Lcool比值的红移演化斜率是多少？是否偏离零？
• RQ4 反馈 timescales 与冷核到非冷核转变的 timescales 相比如何？
• RQ5 为何一些非冷核星系团仍拥有强射电AGN且Pcav/Lcool比值较高？

主要发现

• Pcav/Lcool比值的红移演化斜率被约束为β = −0.05 ± 0.47，与无演化一致。
• 与先前约束相比，斜率不确定度降低了2.3倍，反馈-冷却平衡测量的精度显著提高。
• 未发现Pcav/Lcool比值在红移上存在显著演化，表明射电模式反馈在过去超过90亿年中已与冷却过程保持平衡。
• 在核心形态扰动的非冷核（NCC）星系团中观测到高Pcav/Lcool比值，表明尽管冷却光度较低，射电反馈仍在持续。
• NCC星系团中观测到的高Pcav/Lcool可能反映了反馈活跃但近期并合事件抑制了冷却的阶段。
• 结果支持射电模式反馈在星系团形成初期即已启动，且反馈周期在宇宙时空中持续存在。