[论文解读] XMM-Newton observation of M87 I. Single-phase temperature structure of intracluster medium

Kyoko Matsushita, E. Belsole+2 more|ArXiv.org|Jan 15, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 49被引用 99

一句话总结

本研究分析了M87星系团内介质（ICM）的XMM-Newton X射线数据，发现除中心AGN和射电瓣附近外，星系团核心区域的ICM呈现单一相、等温温度结构，与标准冷却流模型相矛盾。未检测到低于0.8 keV的低温组分，且过剩吸收缺失，表明不存在显著的冷却流，暗示中心ICM处于与cD星系引力势能平衡的准静态平衡状态，而非经历多相冷却。

ABSTRACT

We report the results of a detailed analysis of the temperature structure of the X-ray emitting plasma halo of M~87, the cD galaxy of the Virgo Cluster. Using the MEKAL model, the data provide strong indications that the intracluster medium has a single phase structure locally, except the regions associated to the radio structures. The deprojected spectrum at each radius is well fitted by a single temperature MEKAL model, except for the very central region ($

研究动机与目标

• 利用高分辨率XMM-Newton X射线谱学方法，研究M87星系团内介质（ICM）的温度结构。
• 检验标准冷却流模型的有效性，该模型预测在0.8 keV以下存在显著的多相ICM冷却组分。
• 确定过剩吸收或金属度不均匀性是否可解释低温谱线特征的缺失。
• 评估中心AGN和射电瓣对ICM温度结构的扰动作用。
• 将观测到的ICM温度与cD星系引力势阱深度及恒星速度 dispersion 进行比较。

提出的方法

• 对XMM-Newton EPIC-pn数据在径向分箱中进行去投影谱分析，以推导温度分布。
• 使用MEKAL模型拟合谱线，假设为单温度等离子体辐射，以确定等离子体温度与丰度结构。
• 重新使用APEC谱模型分析谱线，以检验在不同原子物理假设下结果的一致性。
• 评估共振线散射对Fe-L与Fe-K线强度的影响，以评估其在抑制低能特征中的作用。
• 基于ICM温度与密度分布构建引力质量分布，以与cD星系的势能阱进行比较。
• 采用17 Mpc的距离距离，并在谱模型中采用太阳铁丰度（按原子数计为4.68×10⁻⁵）。

实验结果

研究问题

• RQ1 M87的星系团内介质在星系团核心区域是否表现出单相或多相温度结构？
• RQ2 是否存在低于0.8 keV的冷却流组分，如标准冷却流模型所预测？
• RQ3 共振散射或金属度不均匀性是否可解释Fe-L发射线低能段的缺失？
• RQ4 观测到的ICM温度分布与cD星系引力势阱深度相比如何？
• RQ5 与基于成像的估计相比，谱分析所推断的质量沉积率是多少？

主要发现

• 除极中心区域外，各半径处的去投影谱均能被单温度MEKAL模型良好拟合，表明ICM在局部为单相。
• ICM温度从中心的1 keV上升至80 kpc处的2.5 keV（≈80 kpc半径），显示温度随半径单调上升。
• 未检测到低于0.8 keV气体冷却的显著谱线特征，与标准冷却流模型预测相矛盾。
• 谱质量沉积率上限（$\dot{M}_{\rm{S}}$）在1.6′（1 $r_e$）处约为0.4 $M_{\odot}$ yr⁻¹，比基于成像的估计值（$\dot{M}_{\rm{I}}$）约4 $M_{\odot}$ yr⁻¹低一个数量级。
• 中心ICM温度（1 keV）与cD星系引力势阱深度一致，并与恒星速度 dispersion 相关，表明处于热动平衡状态。
• 在1 $r_e$范围内观测到的铁丰度约为1倍太阳值，与强冷却流预期不符，因为金属贫乏气体的稀释应导致其降低，但未观测到此类降低。