星系团中的非引力过程及其对星系际介质热力学的影响

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星系团处于宇宙大尺度结构的节点,在天体物理学中有重要的研究价值。其总引力质量和空间分布信息可用于宇宙学和引力理论研究并约束其模型的参数分布。此外,星系团也为人们研究星系的形成和演化、星系与星系际介质(ICM)和活动星系核(AGN)之间的相互作用提供了一个理想环境。尽管星系团结构的形成与演化主要受引力影响,非引力过程(如AGN反馈,辐射冷却等)在其中也不可忽略。理解此过程在星系团演化中的作用及其对ICM热力学性质的影响是星系团研究中的一个重要课题。本文基于Chandra、XMM-Newton以及Suzaku X射线空间天文台对ICM的观测,分析其数据用以对ICM中发生的引力与非引力过程进行物理建模,从而准确测量ICM的熵分布并约束其中的非引力过程。首先,我们对50个星系团的Chandra高分辨率观测数据进行分析,计算0.5r500内ICM温度的空间分布。在综合考虑引力能释放和转化、气体压缩做功、非引力过程引起的气体内能变化以及非热气体压强成分后,构建了一个描述ICM温度轮廓的解析模型。该模型所给预言值与Chandra气体温度轮廓相吻合,并在外延至~r200时与Suzaku观测结果相一致。其次,在上述温度轮廓模型中引入气体成团效应(Revised Thermodynamic ICM model,即RTI模型),用以描述ICM温度、密度以及星系团的总引力质量分布。经与47个星系团的Chandra、XMM-Newton和Suzaku观测值对比,发现RTI模型值与观测值在68%置信区间上一致。对比结果显示在ICM中非热压强和气体成团效应在维里半径处会显著影响气体的热力学性质。最后,根据由RTI模型所获得的最佳拟合参数,计算了上述47个星系团的平均温度、X射线亮度、总引力质量、气体质量、气体熵等物理参量,用于研究星系团中的非引力作用,得到以下主要结论。(1)在星系团维里半径附近ICM熵分布与绝热宇宙学模拟的预测分布相一致,表明该处引力过程是主导因素;(2)星系团中央由非引力过程注入ICM的反馈能量约为10 ke V/粒子。这个数值随半径单调递减,至~0.35r200处降为0;(3)假定反馈能量全部来自于星系团中央亮星系(BCG)内超大质量黑洞(SMBH)的吸积释能过程,可估算其反馈效率约为0.02,低于转动黑洞的反馈效率。这表明SMBH可能是非旋转的。以上结果显示在星系团内部(0.35r200)非引力过程不可忽略,在对星系团进行观测或模拟研究时必须考虑其影响。在0.35r200之外ICM的演化主要由引力支配,非引力过程对ICM热力学属性无显著影响。
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