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星系团的多波段观测

顾俊骅  
【摘要】:星系团是宇宙中最大的引力束缚系统,是构成宇宙大尺度结构的基石。星系群是与之结构类似,但规模较小的系统。星系团/群内的物质组成主要包括恒星、气体和暗物质。其中恒星主导了星系团/群在可见光波段的辐射。气体由于并合以及物质吸积过程中引力能的释放,被加热到了辐射X射线的温度。而在星系团/群的并合过程中会产生大量相对论性电子,这些电子在星系团/群的磁场中运动,会产生射电波段的同步辐射。其它的诸多物理过程,例如AGN活动、超新星爆发等也会辐射出不同频段的电磁波。因此,要对星系团/群的演化和结构进行全面的研究,就离不开对其进行多波段的观测。本文基于X射线和射电两个波段1)研究了星系团/群中的二维温度、丰度结构;2)对以X射线方法测量星系团中并合激波马赫数的可靠性进行了检验;3)对中红移星系团和大尺度结构的低频射电观测进行了预演。 一、我们基于Chandra的观测数据,分析了致密星系群HCG 62中的金属分布。我们对该群进行了二维光谱分析,并在其中心西南方向大约2′(33.6h?701 kpc)处发现了一个形状完整的高丰度的弧状区域。该区域对X射线中心的张角达到了约120?,丰度约为其周围区域丰度的2倍。该高丰度弧的内侧边缘部分与群中央西南方向的X射线空洞的外缘重合。通过研究该区域内的不同金属元素之间的丰度比,我们发现Ia型超新星主导了其中铁元素的增丰。高丰度弧内的铁质量约为3×106h7?02 .5M⊙,是该群中央星系历史上合成的铁的总量的3%。该高丰度弧的形成原因可能是其中央的AGN活动,也有可能是由于并合过程导致。 二、我们对在星系群NGC 507的Chandra X射线图像中发现的锐利弧状边缘结构进行了成因分析。Kraft等人在2004年发现了这一结构,并将其成因归于弧的内外两侧存在金属丰度的梯度,从而影响了X射线的发射系数。然而,我们注意到Kraft等人在分析方法上存在一些不足,例如1)在他们的光谱分析中未对投影效应进行修正;2)他们生成温度图的方法是基于X射线硬度比的,而非直接的光谱拟合。这可能会对结果的可靠性带来影响。为此,我们重新分析了该星系群的数据,对光谱分析中的投影效应加以考虑,并采用光谱拟合的方法获得了二维的温度和丰度图。我们发现,尽管在弧内侧的金属丰度确实高于弧的外侧,但从丰度图上看来,高丰度区域的分布与弧状边缘的位置之间的相关性较差。而温度分布却呈现出与该弧状边缘很好的相关性,弧外侧的温度在68%的置信度上高于内侧。而在光谱分析中考虑投影效应后,弧两侧的温度差且更为显著。这些特征都表明这一锐利的弧状边缘是一个冷锋结构。由此我们得出结论:在判断星系团/群中的锐利边缘的性质时,不可忽视投影效应,并且需要辅以二维光谱分析的方法帮助判断。 三、为了对星系团/群中的非对称金属分布进行系统性的研究,我们对一组包含九个贫星系团和星系群的样本进行了二维的温度和丰度分布分析。在当前的阶段,我们首先获得了这些源的X射线图像、二维温度和丰度图。在下一步的工作中,我们将对这些数据进行更加深入的分析。 四、我们研究了以X射线方法获得星系团中激波马赫数的可靠性。通过对一组由宇宙学数值模拟产生的,包含并合激波的星系团样本进行虚拟X射线观测,并采用X射线方法对这些激波的马赫数进行测量,我们发现X射线方法并不会显著高估激波的马赫数。 五、我们对即将实施的在低频射电波段对中红移的星系团和大尺度结构进行探测的工作进行了前期预演。我们计划依托位于新疆天山中的“宇宙第一缕曙光”探测项目(21CMA)的现有设施,建设一组工作在400 ? 600 MHz的射电干涉天线,以中性氢21cm线为示踪剂,探测中红移范围内的星系团和大尺度结构。我们研究了该射电望远镜的系统整体设计、天线设计和校准、天线噪声计算和信号强度的计算。同时,由于我们将要探测的信号的强度极弱,其涨落约为前景涨落的10?5 ?10?4,因此必须找到一种合适的方法将21 cm线信号从强前景中分离出来。我们在此研究了已有的扣除前景,提取功率谱的方法,并提出了改进的算法。


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