[论文解读] XMM observation of M~87 II. Abundance structure of the interstellar and intergalactic medium

Kyoko Matsushita, A. Finoguenov+1 more|ArXiv.org|Dec 3, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 61

一句话总结

本研究分析了M87星系团介质的XMM-Newton X射线数据，推导出七种元素（O、Mg、Si、S、Ar、Ca、Fe）的径向丰度分布。结果表明，Fe/Si比值接近0.9倍太阳值且无径向梯度；而Si、S、Ar、Ca和Fe在2′以外表现出强烈的递减梯度，在1.5′以内趋于恒定，约为1.5倍太阳值。中心区域的O/Si比值小于一半太阳值，并随半径向外增加，表明超新星Ia对Fe和Si有显著贡献，与古老恒星系统中较暗的超新星Ia一致。

ABSTRACT

Based on a detailed study of the temperature structure of the intracluster medium in the halo of M~87, abundance profiles of 7 elements, O, Mg, Si, S, Ar, Ca, and Fe are derived. In addition, abundance ratios are derived from the ratios of line strengths, whose temperature dependences are small within the temperature range of the ICM of M~87. The abundances of Si, S, Ar, Ca and Fe show strong decreasing gradients outside 2$'$ and become nearly constant within the radius at $\sim1.5$ solar. The Fe/Si ratio is determined to be 0.9 solar with no radial gradient. In contrast, the O abundance is less than a half of the Si abundance at the center and has a flatter gradient. The Mg abundance is $\sim$1 solar within 2$'$, which is close to stellar abundance within the same radius. The O/Si/Fe pattern of M~87 is located at the simple extension of that of Galactic stars. The observed Mg/O ratio is about 1.25 solar, which is also the same ratio as for Galactic stars. The O/Si/Fe ratio indicates that the SN Ia contribution to Si and Fe becomes important towards the center and SN Ia products have similar abundances of Si and Fe at least around M~87, which may reflect dimmer SN Ia observed in old stellar systems. The S abundance is similar to the Si abundance at the center, but has a steeper gradient. This result suggests that the S/Si ratio of SN II products is much smaller than the solar ratio.

研究动机与目标

• 利用高分辨率X射线谱学方法，确定M87中星际与星系际介质的径向丰度结构。
• 研究Ia型与II型超新星对星系团介质金属丰度增益的相对贡献。
• 评估恒星质量损失与Ia型超新星丰度产出在M87中心区域观测到的丰度模式中的作用。
• 评估线对比率方法在丰度测定中的可靠性，以最小化温度依赖性偏差。

提出的方法

• 对XMM-Newton EPIC-pn和MOS谱进行去投影处理，获得M87晕中各半径处的径向谱分布。
• 使用MEKAL和APEC等离子体发射模型拟合去投影谱，以模拟热X射线发射并推导元素丰度。
• 利用线对比率（如Fe/Si、S/Si）确定丰度比值，并对温度依赖性进行修正。
• 仅在中心区域（R < 2′）采用双温度模型，因该区域检测到多个组分。
• 评估共振线散射效应对丰度测量的影响，特别是对O和Ne线的影响。
• 将推导出的丰度与Feldman（1992）提供的太阳值进行比较，使用90%置信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 M87星系团介质中O、Mg、Si、S、Ar、Ca和Fe的径向丰度分布如何？
• RQ2 α-元素（O、Ne、Mg、Si）的丰度梯度与Fe及中等质量元素（S、Ar、Ca）的梯度相比如何？
• RQ3 观测到的Fe/Si与O/Si比值对Ia型与II型超新星在金属增益中相对贡献有何启示？
• RQ4 鉴于S/Si比值温度依赖性微弱，它是否是Ia型与II型超新星贡献的可靠示踪指标？
• RQ5 观测到的丰度与银河系恒星及恒星族模型中的丰度相比如何？

主要发现

• Fe/Si丰度比为0.9 ± 0.1倍太阳值，且无径向梯度，表明Ia型超新星在整个晕中贡献一致。
• Si、S、Ar、Ca和Fe的丰度在2′以外表现出强烈的递减梯度，并在1.5′以内趋于稳定，约为1.5–1.7倍太阳值。
• 中心区域的O丰度小于Si丰度的一半，且随半径增加而上升，r < 2′时O/Si < 0.5倍太阳值。
• Mg/O丰度比为1.25倍太阳值，且无径向梯度，与银河系恒星丰度一致。
• M87中O/Si/Fe丰度分布与银河系恒星高度一致，表明存在普遍的金属增益模式。
• S/Si比值从r < 4′时的约1.0倍太阳值下降至r > 10′时的约0.7倍太阳值，表明II型超新星产生的S相对Si少于太阳系中的比例。