[论文解读] Stability of Cool Cores During Galaxy Cluster Growth: A Joint $Chandra$/SPT Analysis of 67 Galaxy Clusters Along a Common Evolutionary Track Spanning 9 Gyr

F. Ruppin, M. McDonald+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 127被引用 30

一句话总结

本研究利用钱德拉望远镜和SPT数据，开发了一种联合X射线/太阳兹辐射（SZ）分析技术，测量了67个红移0.3 < z < 1.3的星系团中星系团内介质（ICM）的密度剖面，这些星系团是附近星系团的前身。通过结合钱德拉望远镜的表面亮度与SPT的康普顿参数，与标准X射线分析相比，将密度剖面的不确定性降低了约5倍，揭示了尽管质量增长了4倍，但冷核心比例和核心密度在90亿年中保持稳定，这与当前流体动力学模拟预测的红移越高冷核心比例越高的结果相矛盾。

ABSTRACT

We present the results of a joint analysis of $Chandra$ X-ray and South Pole Telescope (SPT) SZ observations targeting the first sample of galaxy clusters at $0.3 < z < 1.3$, selected to be the progenitors of well-studied nearby clusters based on their expected accretion rate. We develop a new procedure in order to tackle the analysis challenge that is estimating the intracluster medium (ICM) properties of low-mass and high-redshift clusters with ${\sim}150$ X-ray counts. One of the dominant sources of uncertainty on the ICM density profile estimated with a standard X-ray analysis with such shallow X-ray data is due to the systematic uncertainty associated with the ICM temperature obtained through the analysis of the background-dominated X-ray spectrum. We show that we can decrease the uncertainty on the density profile by a factor ${\sim}5$ with a joint deprojection of the X-ray surface brightness profile measured by $Chandra$ and the SZ integrated Compton parameter available in the SPT cluster catalog. We apply this technique to the whole sample of 67 clusters in order to track the evolution of the ICM core density during cluster growth. We confirm that the evolution of the gas density profile is well modeled by the combination of a fixed core and a self-similarly evolving non-cool core profile. We show that the fraction of cool-cores in this sample is remarkably stable with redshift although clusters have gained a factor ${\sim}4$ in total mass over the past ${\sim}9$ Gyr. This new sample combined with our new X-ray/SZ analysis procedure and extensive multi-wavelength data will allow us to address fundamental shortcomings in our current understanding of cluster formation and evolution at $z > 1$.

研究动机与目标

• 研究星系团在宇宙时空中冷核心特性的演化，重点关注星系团内介质（ICM）密度剖面的稳定性。
• 解决在低质量、高红移星系团中估算ICM特性时面临的挑战，这些星系团的X射线数据浅，仅约150个计数，且背景污染严重。
• 开发并验证一种联合X射线/SZ分析方法，可在不依赖精确X射线光谱学的前提下，减少ICM密度剖面估算中的系统性不确定性。
• 检验冷核心比例是否随红移演化，这些星系团的质量从z~1.4时的M500 ~2×10¹⁴ M⊙增长到z~0时的M500 ~8×10¹⁴ M⊙。
• 为未来多波段研究提供一个沿共同演化路径的67个星系团的遗产样本。

提出的方法

• 将钱德拉望远镜X射线表面亮度剖面与SPT积分康普顿参数（Y）联合使用，应用联合反投影方法，共同约束ICM密度剖面。
• 采用正向建模方法，在ICM的统一物理模型中结合X射线表面亮度与SZ信号，最大限度减少对背景受限X射线光谱学的依赖。
• 该技术考虑了X射线点扩散函数，并将反投影中心降为X射线质心，该质心在信噪比较低的条件下比X射线峰值更稳定。
• ICM密度剖面被建模为一个在z > 1.3时形成的固定早期核心与一个自相似演化非冷核心组分的组合。
• 通过利用对背景不敏感但对总电子压力敏感的SZ信号，减少了由背景主导的X射线光谱带来的系统性不确定性。
• 该方法在模拟样本上进行了验证，并应用于SPT和SPTpol星表中的全部67个星系团。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管质量增长了4倍，冷核心星系团的比例在90亿年中是否保持恒定？
• RQ2 在仅约150个X射线计数的标准X射线分析下，能否准确测量低质量、高红移星系团（z > 1）的ICM密度剖面？
• RQ3 与标准X射线分析相比，联合X射线/SZ反投影方法如何降低ICM密度剖面估算的不确定性？
• RQ4 观测到的冷核心特性稳定性是否与当前流体动力学模拟一致？后者预测红移越高，冷核心比例越大。
• RQ5 这67个星系团的前身样本能否作为可靠的演化序列，用于追踪宇宙时空中ICM的演化？

主要发现

• 与标准X射线分析相比，联合X射线/SZ分析将ICM密度剖面的相对不确定性降低了约5倍，实现了约20%的不确定性，且无需精确X射线光谱学。
• ICM密度剖面可用一个在z > 1.3时形成的固定核心与一个自相似演化非冷核心的组合良好描述，表明核心结构长期稳定。
• 在红移范围0.3 < z < 1.3内，冷核心比例保持在约60%的恒定水平，尽管星系团质量在约90亿年中增长了4倍。
• 核心密度演化与研究范围内的恒定值一致，表明中心ICM特性无显著演化。
• 结果与预测红移越高冷核心比例越高的流体动力学模拟相矛盾，表明冷核心可能形成时间早于当前模型所预测，或在高红移时核心破坏机制比模拟中更频繁。
• 这67个星系团的前身样本为未来詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）、罗伯特·戈尔德施米特天文台（Rubin Observatory）以及未来X射线任务的多波段研究提供了独特且宝贵的资源。