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星系群和星系团高温气体中的X射线子结构及中央气体熵超出

王宇  
【摘要】: 星系团是宇宙中最大的自引力束缚系统。其中,X射线气体数量巨大,是占主导地位的发光物质。近十年来,人们利用具有高空间分辨率和高能量分辨率的Chandra和XMM-Newton X射线天文台对星系群和星系团进行了大量观测研究,取得了重大进展。例如,在并合星系团中发现了众多的激波和冷锋面等X射线子结构;在冷核星系团中发现了许多中央活动星系核(AGN)活动所造成的X射线空洞,等。从这些结构中不仅可以挖掘有关星系团自身的动力学、热力学、化学构成等方面信息,而且可以推断宇宙大尺度结构的形成与演化,甚至可以帮助我们了解暗物质和中央特大质量黑洞的属性。本文拟就星系团并合过程中的子结构成因以及AGN反馈加热对气体熵的影响这两方面进行主要探讨。 首先,我们详细分析了邻近星系团Abell 3158的Chandra和XMM-Newton观测数据,发现在X射线晕中心的西侧约120h7?11 kpc处存在一个弓形的界面结构。此界面结构实为一个偏离中心的大质量冷气团的边界。通过比较冷气团和自由区的气体压强,我们确认该界面结构是一个弱冷锋面,正以亚声速向西运动。因为冷气团的有效热传导时标(~0.3 Gyr)远小于冷却时标(~9.8 Gyr),所以可排除此冷气团产生于非均匀辐射冷却的可能性。由于此冷气团在位置、尺度、气体质量和热力学性质等方面与其它并合星系团中的偏离中心冷气团有极大相似性,并且没有证据表明Abell 3158有显著的AGN活动迹象,因此,我们认为Abell 3158中的冷气团是并合过程中子团或主团中央冷气体的残留。支持这种观点的证据还有:Abell 3158成员星系视向速度的非高斯分布以及冷气团的气体熵–温度的相关性。由此可见,若在偏离中心处出现大质量冷气团,那么就可以推断这个星系团正处于并合阶段,尤其在激波和强冷锋面等显著并合特征消失了以后。 其次,我们分析了21个星系群和19个星系团样本的Chandra观测数据,发现在31个系统中存在显著的中央气体熵超出,其能量相当于? 0.1 ? 0.5 keV/气体粒子。我们发现中央熵超出与中央星系K波段光度之间存在显著的相关性,即?K0∝LK1.6±0.4。这支持了AGN反馈是一种重要的非引力加热机制的观点。事实上,假定在AGN吸积反馈过程中质量–能量转化系数是0.02,累积的AGN反馈能量就可达? 0.5 ? 17.0 keV/气体粒子,这足以形成中央气体熵超出,弥补X射线辐射损失(? 0.002 ? 2.2 keV/气体粒子),同时引起特征关系对自相似模型预言的偏离(? 0.2 ? 1.0 keV/气体粒子)。相比于AGN反馈,在星系群中超新星爆发提供的能量仅为? 0.002 ? 0.08 keV/气体粒子,在星系团中则为? 0.0006 ? 0.007 keV/气体粒子,都几乎可忽略。由此推断,?K0 ? LK相关性可作为星系群和星系团中AGN反馈加热的直接证据。


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