星系团并合过程及其对ICM化学演化影响的X射线研究

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作为目前宇宙中最大的自引力束缚系统和大尺度结构中最致密的部分,星系团的研究处于宇宙学和天体物理学的交汇处,具有重要意义。星系团由于其内介质(intra-cluster medium,ICM)具有极高的温度(~0.5-10 keV)和密度(~10-4-10-2 cm-3),是天空中明亮的X射线源。利用新一代X射线空间天文台Chandra和XMM-Newton的高质量图像和光谱数据,并结合其它波段(特别是光学和射电波段)的观测,星系团的X射线观测研究课题已十分丰富,如冷锋和激波的形成、ICM化学演化、气体冷却和加热、射电展源形成和演化、星系团磁场分布等。本工作重点针对与上述诸现象皆有关联的星系团并合这一重要动力学过程开展研究,以具有起因不明的高金属丰度弧状结构的致密星系群HCG 62和罕见的同时在核区拥有钝角型头尾(wide-angle tail,WAT)和锐角型头尾(narrow-angle tail,NAT)射电星系的并合星系团Abell 1775为例,试图(1)阐明并合之中X射线气体子结构是如何形成并演化的,以及是否有可能利用X射线气体子结构来诊断星系团并合的动力学演化状态,以及(2)研究并合对ICM化学演化有何直接作用这一学术界尚未有明确答案的问题。主要研究结果如下:(1)通过分析HCG 62的X射线观测数据,我们发现在其中央和西南区域,铁和镁同时存在高丰度值,形成一个比过去所知的高金属丰度弧状结构更加延展的中央-西南高金属丰度区。我们推测此高金属丰度区可能形成于一次近期的并合事件过程中——这次事件触发了大规模星爆,在中央和西南方向上的局部区域内迅速产生了显著的“额外”金属增丰。为验证此推测的合理性,我们利用GADGET-3软件开展了一系列两体并合的流体动力学模拟以复现观测所得的高丰度结构。模拟结果显示,HCG 62正处于主并合(主群和子群质量比为3)的末期,第二次近心碰撞后触发的星爆可形成中央-西南高金属丰度区;(2)通过分析Abell 1775的X射线观测数据,我们发现其气体呈现明显的头尾结构:在X射线中心以西约48 kpc处存在一个显著的弓状边缘结构以及一条向东延伸约163 kpc的冷气体尾。此外,我们还在X射线中心东北方向约~81-324 kpc处发现了一团螺旋状的亮度超出。综合X射线、光学、和射电证据以及流体动力学模拟,我们认为星系团Abelk 1775是一个在次并合(主团和子团质量比为5)中正在经历气体振荡的主团,而NAT射电星系是一个以~2800 km s-1的相对速度落入Abell 1775的孤立星系。最后,基于模拟结果我们计算了星系团中央区域的湍流速度约为570 km s-1,此结果同基于LOFAR射电观测的模型值一致,支持了气体扰动触发湍流再加速初级电子的假说。根据上述两个工作我们得出结论:(1)X射线气体子结构可以有效地帮助诊断并合演化阶段,(2)星系团并合对金属增丰和金属分布有重要影响。同时,本工作也为后续开展的针对宇宙再电离时期21cm信号重要前景之一——弥散射电展源的研究提供动力学预研究支持。
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