Анализ и моделирование высокоэнергетичного излучения скоплений галактик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Прохоров Дмитрий Анатольевич

АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СКОПЛЕНИЙ ГАЛАКТИК

специальность 01.04.02 - «Теоретическая физика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-2009

003474660

003474660

Работа выполнена на кафедре проблем физики и астрофизики Московского физико-технического института (государственного университета).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физ. мат. наук, профессор Владимир Александрович Догель

доктор физ. мат. наук, профессор Сергей Юрьевич Сазонов (Институт Космических Исследований РАН),

доктор физ. мат. наук, профессор Владимир Соломонович Птускин (Институт Земного Магнетизма, Ионосферы и распространения радиоволн РАН)

Физико-технический институт им.Иоффе

Защита состоится « » 2009 г. в 00 часов на заседании

диссертационного совета Д. 212.156.07 Московского физико-технического института (государственного университета) по адресу: 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (государственного университета).

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.156.07 кандидат физ. мат. наук

С.М. Коршунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Скопления галактик - огромные гравитационно-связанные структуры во Вселенной. Большинство барионов в скоплениях галактик содержатся в горячем газе, от которого наблюдается диффузное рентгеновское излучение. В спектрах рентгеновского излучения скоплений галактик преобладает тепловое излучение от горячего газа, но для некоторых скоплений наблюдаются избытки жесткого и мягкого рентгеновского излучения.

Впервые жесткое рентгеновское излучение от скоплений было обнаружено в 1999 году спутником Beppo-SAX (Fusco-Femiano et al. 1999). Возможные механизмы жесткого рентгеновского излучения — обратный Комптон эффект и нетепловое тормозное излучение. Лучший путь для проверки интерпретации - сделать независимое наблюдение, которое основано на модели интерпретации. Интерпретация жесткого рентгеновского излучения, основанная на обратном Комптоновском рассеянии (ICS) релятивистских электронов на реликтовых фотонах, сталкивается с серьёзной проблемой. Значение индукции магнитного поля, полученное из наблюдения излучений в радио и в жестком рентгеновском диапазонах в рамках этой интерпретации, намного меньше значения, найденного посредством Фарадеевского вращения. Поэтому независимые наблюдения для интерпретации жесткого рентгеновского излучения тормозным излучением необходимы для ее проверки.

Поиск независимых наблюдений для интерпретации жесткого рентгеновского излучения тормозным излучением является одной из целей данной диссертации, и такие независимые наблюдения были предложены в работах:

1) Colafrancesco, S., Prokhorov, D. A., Dogiel, V. А. 2009, Astronomy & Astrophysics, 494, 1 «Studying the leptonic structure of galaxy cluster atmospheres from the spectral properties of the Sunyaev-Zel'dovich effect»;

2) Prokhorov, D. A., Durret, F., Dogiel, V.A., Colafrancesco, S. 2009, Astronomy & Astrophysics, 496, 25 «An analysis of electron distributions

in galaxy clusters by means of the flux ratio of iron lines FeXXV and FeXXVI»;

3) Prokhorov, D. A. 2009, отправлена в Astronomy & Astrophysics, «On the influence of subrelativistic electron populations on metal abundance estimates in galaxy groups and clusters».

Избыток над тепловым излучением горячего газа в ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах был найден в нескольких скоплениях галактик. Найденный избыток излучения может быть объяснен тепловым излучением межгалактической среды (warm-hot intergalactic gas) температура которой ~10Л6 К или может быть объяснен нетепловым излучением из-за обратного Комптон эффекта, который также может служить объяснением жесткого рентгеновского избытка излучения. Межгалактический газ WHIM нагревается на ударных волнах при формировании крупномасштабных структур. Измерения эффекта Зельдовича-Сюняева на картах реликтового фонового излучения, полученных из данных WMAP, показали (Afshordi et al. 2007), что значительная доля массы (35%) барионов пропала из горячей среды (ICM) скопления галактик. Проблема пропавших барионов - проблема современной космологии.

Одно из решений проблемы пропавших барионов было предложено в работе Prokhorov, D. А. (2008, Astronomy & Astrophysics, 492, 651 «Missing baryons in shells around galaxy clusters») , в которой было показано, что низкая доля барионов, полученная посредством измерения эффекта Зельдовича-Сюняева на картах реликтового фонового излучения из данных WMAP, объясняется отклонением от теплового равновесия во внешних областях скоплений.

Скопления галактик - огромные гравитационно-связанные структуры, которые сформировались при слияниях меньших скоплений и групп галактик. Столкновения скоплений галактик приводят к выделению огромных энергий. При столкновении двух скоплений с массами 10А15 Msun освобождается гравитационная энергия равная 10л63-10л64 эрг. При таких столкновениях возникают ударные волны способные ускорять частицы. Ударные волны в горячем газе при столкновениях скоплений наблюдаются в рентгеновском диапазоне. Посредством наблюдения спутником Chandra скопления 1Е0657-558

(«Bullet cluster») была обнаружена ударная волна, распространяющаяся впереди газового сгустка, который движется от центра большего скопления.

В работе Prokhorov, D. А. & Durret, F. (2007, Astronomy & Astrophysics, 474, 375 «An approximate theory for substructure propagation in clusters») основные свойства скопления 1E0657-558 были вопроизведены (см. также Springel & Farrar 2007 и Milosavljevic et al. 2007). В работе мы также изучили систему двух сталкивающихся скоплений, в которой газ остановился, а галактики отделились от газа. Одна из таких систем (MACSJ0025.4-1222 или «anti-Bullet cluster») была открыта Bradac et al. (2008, ApJ, 687, 959).

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Изучение распределения электронов в скоплениях галактик с помощью спектральных свойств эффекта Зельдовича-Сюняева. Анализ распределений электронов, ранее предложенных для объяснения избытка жесткого рентгеновского излучения.

2. Теоретическое исследование влияния надтепловых электронов на отношение потоков линий от водородоподобного и гелиеподобного железа в скоплениях галактик.

3. Исследование металличности в скоплении галактик Персей и группы галактик HCG 62, от которых наблюдается жесткое рентгеновское излучение.

4. Теоретическое изучение состояния газа во внешних областях скоплений галактик.

5. Рассмотрение столкновения скоплений галактик на примере Bullet cluster. Моделирование распространения подскопления в среде скопления галактик.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Показано, что из-за наличия пекулярной скорости скопления положение нуля эффекта Зельдовича-Сюняева не может быть использовано для многих скоплений для исследования функции распределения электронов. Было показано, что спектральный наклон эффекта Зельдовича-Сюняева не зависит от пекулярной скорости.

2. Было показано, что отношение потоков линий от гелиеподобного железа к водородоподобному железу зависит от количества надтепловых электронов с энергиями выше потенциала ионизации. Было предложено использовать отношение потоков для диагностики функции распределения.

3. Было рассмотрено влияние надтепловых электронов на определение металличности в скоплении Персей и группы HCG 62. Показано, что наличие надтепловых электронов приводит к уменьшению наблюдаемой металличности.

4. Получено необходимое условие на полную массу скоплений галактик для того, что пропавшие барионы были скрыты в оболочке барионов. Необходимое условие, на массу скоплений, выполнено, поскольку масса скоплений сравнима по величине со значением характеристической массы M=eA4/(mA3_p GA2).

5. Предсказано, что Bullet cluster не является единственным скоплением, в котором темная материя и газ разделены в пространстве.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Эффект Зельдовича-Сюняева является средством для анализа популяции надтепловых электронов, так как амплитуда и форма эффекта зависит от функции распределения электронов.

2. Отношение потоков линий от ТеХХУ к РеХХУГ зависит от доли электронов с энергиями, превышающими потенциал ионизации, поэтому отношение потоков также является средством анализа популяции надтепловых электронов.

3. Определение металличности в скоплениях галактик также зависит от наличия популяции надтепловых электронов.

4. Измеренная доля барионов в скоплениях галактик меньше чем космологическая. Одно из возможных объяснений состоит в том, что потерянная доля барионов находится во внешних областях скоплений.

5. При столкновениях скоплений галактик происходит выделение энергии ~10л63-10л64 эрг. Кроме того, столкновения интересны сами по себе, поскольку столкновительный газ и бесстолкновительная темная материя могут разделиться в результате столкновения.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. В работе теоретически изучено влияние надтепловых электронов на эффект Зельдовича-Сюняева, на отношение потоков линий железа, и на определение металличности в скоплениях галактик. Измерения изученных эффектов позволят установить вид функции распределения электронов в скоплениях.

2. В работе рассмотрено установление теплового равновесия за фронтами аккреционных ударных волн в скоплениях. Показано, что во внешних областях скоплений могут содержаться пропавшие барионы.

3. Изучено распространение подструктур в скоплениях, в которых возможно разделение газа и темной материи. Такие скопления - прекрасная лаборатория для изучения природы темной материи.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на двух семинарах отделения теоретической физики ФИАН (в 2007, в 2009), на семинаре в институте космических исследований (в 2009) и докладывались на научной конференции Warm and Hot Universe (New-York, 2008).

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 5 работ:

1. Prokhorov, D. A., Durret, F., Dogiel, V. A., Colafrancesco,S. 2009, Astronomy & Astrophysics, 496, 25, «An analysis of electron distributions in galaxy clusters by means of the flux ratio of iron lines FeXXV and FeXXVI»

2. Colafrancesco, S., Prokhorov, D. A., Dogiel, V. A. 2009, Astronomy & Astrophysics, 494, 1, «Studying the leptonic structure of galaxy cluster atmospheres from the spectral properties of the SZ effect»

3. Prokhorov, D. A. 2008, Astronomy & Astrophysics, 492, 651, «Missing baryons in shells around galaxy clusters»

4. Prokhorov, D. A., Durret, F. 2007, Astronomy & Astrophysics, 474, 375, «An approximate theory for substructure propagation in clusters»

5. Dogiel, V. A., Colafrancesco, S., Ко, С. M., Kuo, P. H., Hwang, C. Y., Ip, W. H., Birkinshaw, M., & Prokhorov, D.A. 2007, Astronomy & Astrophysics, 461, 433, «In-situ acceleration of subrelativistic electrons in the Coma halo and the halo's influence on the Sunyaev-Zeldovich effect».

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из двух частей, первая из которых -введение состоит из 4 глав, вторая часть состоит из 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 154 наименований. Общий объем работы 96 страниц, включая 28 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой части предлагаемой диссертационной работы дан обзор основных эффектов и результатов наблюдений, на которых основана предлагаемая работа.

В первой главе рассмотрены тепловое рентгеновское излучение, излучение линий и эффект Зельдовича-Сюняева. Тормозное излучение (е-р) - физический процесс, который происходит при ускорении электронов в поле, создаваемом протонами (ядрами). Ускорение сопровождается излучением электромагнитных волн и, следовательно, потерей кинетической энергии электронов.

Излучение линий. Доли ионов с разными степенями ионизации для химического элемента определяются из системы уравнений для ионизационного баланса. Ионизация определяется столкновениями электронов с ионами. Спектр линии определяется радиационным распадом, который следует за ударным возбуждением иона при столкновении с электроном и небольшим вкладом рекомбинационных линий.

Эффект Зельдовича-Сюняева возникает из-за рассеяния электронов в скоплениях галактик на космическом микроволновом фоновом излучении.

Во второй главе дан обзор наблюдения металлов в скоплениях. Даны ответы на вопросы: каким образом распределены металлы в скоплении в зависимости от расстояния до центра скопления, какова доля металлов, каким образом можно определить температуру газа из отношения потоков линий железа FeXXV к FeXXVI.

В третьей главе дан обзор наблюдений нетеплового рентгеновского излучения в скоплениях галактик. Избыток мягкого излучения из скоплений, определенное как излучение ниже 1 keV, в превышении над тепловым излучением газа в скоплениях был обнаружен в 1996. Избыток может быть образован (частично) тепловым излучением межгалактической среды (WHIM), в которой может содержатся половина барионов на современной стадии эволюции Вселенной.

Измерения RXTE и BeppoSAX показали наличие жесткого

рентгеновского излучения в некоторых скоплениях галактик (Coma,

Abell 2256, Abell 2199, IE 0657-56 «Bullet cluster»).

Также в этой главе дан краткий обзор механизмов нетеплового

излучения.

В четвертой главе рассмотрен процесс ускорения электронов из фоновой плазмы, процессы релаксации распределения электронов к равновесному распределению, а также возникновение ударных волн в скоплениях галактик.

Во второй части предлагаемой диссертационной работы приведены основные результаты, полученные в ходе трех лет обучения в аспирантуре.

В пятой главе рассмотрены спектральные свойства эффекта Зельдовича-Сюняева. Было показано, что значение частоты Х_0 нуля эффекта Зельдовича-Сюняева зависит существенно от пекулярной скорости скопления. Показано, что значение наклона ЭЗС не зависит от спектра кинематического ЭЗС (и от спектра анизотропии космического микроволнового излучения) в диапазоне частот около нуля теплового ЭЗС, т.е. в диапазоне частот х = 3.5 - 4.5. Это потому, что спектр кинематического ЭЗС - почти плоский в этом диапазоне частот. Поэтому, амплитуда кинематического эффекта производит сдвиг позиции частоты Х_0, но кинематический ЭЗС не влияет на наклон общего ЭЗС. Было предложено использовать спектральный наклон ЭЗС для получения объективной информации о свойствах различных популяций электронов в скоплениях: температуры газа для тепловой популяции электронов, степенного спектра нетепловой популяции электронов, комбинированного спектра тепловой и нетепловой популяций электронов, параметра стохастического ускорения для ускоренной популяции электронов. Бесспорным преимуществом развитого метода является то, что он дает возможность для поиска нетепловых компонент спектра электронов и для определения их характеристик. Более того, этот метод позволяет вывести независимо параметры процесса ускорения в рамках различных моделей.

В шестой главе было показано, что отношение потоков линий железа зависит от присутствия надтепловых электронов, предложенных для объяснения измерений избытка жесткого рентгеновского излучения от скоплений галактик. Влияние надтепловой популяции электронов на отношение потоков линий железа более значительно в скоплениях с низкой температурой (таких как Abell 2199) чем в скоплениях с высокой температурой (Coma), потому что доля тепловых электронов

с энергиями выше, чем потенциал ионизации гелиеподобного железа в скоплениях с низкой температурой меньше чем в скоплениях с высокой температурой. Так как уменьшение отношения потоков линий железа (гелиеподобного к водородоподобному) для модифицированного Максвелловского распределения по сравнению с Максвелловским распределением ожидается для скоплений А2199 и Coma, то отношение потоков линий - средство для проверки интерпретации жесткого рентгеновского избытка в рамках модели нетеплового тормозного излучения.

Для определения присутствия нетепловых электронов и определения их количества было предложено сравнивать температуры, полученные из отношения потоков линий железа и спектра континуума при низких энергиях.

В седьмой главе показано, что оценка наличия металлов зависит от присутствия надтепловых электронов, предложенных для объяснения избытка жесткого рентгеновского излучения групп и скоплений галактик. Из-за влияния надтепловых электронов, оценки наличия Аг в группе HCG 62 и наличия Fe в ядре скопления Персей значительно уменьшаются, на 30% и 45% соответственно. Уменьшения содержания Аг и Fe имеют близкие значения, потому что доля надтепловых электронов (6% в группе HCG 62 и 25% в ядре скопления Персей) сравнима с долей тепловых электронов (3.5% для группы HCG 62 и 15% для ядра скопления Персей) с энергиями выше, чем потенциалы ионизации Аг и Fe.

Также вычислены изменения наличия ближайших по атомным номерам химических элементов для Аг и Fe и найдено, что 1) для группы HCG 62 наличие Si увеличивается на 3%, и наличие S уменьшается на 14%; 2) для ядра скопления Персей наличие Аг увеличивается на 15%, и наличие Са уменьшается на 5%.

В восьмой главе показано в рамках гидростатического приближения, что пространственное распределение газа более пологое, чем распределение массы в скоплении. Поэтому значительная доля барионов может находится в оболочках вокруг скоплений галактик. Было рассмотрено формирование оболочки барионов вокруг скоплений галактик в рамках кинетической теории. Оболочки барионов могут формироваться в скоплениях с массой (М>10л15 Msun).

Предположено, что низкая доля барионов, полученная с помощью данных \VMAP из анализа эффекта Зельдовича-Сюняева (АГбИогсП е1 а1. 2007) может объясняться отклонением от теплового равновесия во внешних областях скоплений, в которых электроны и протоны не достигают равновесия. Эта теплая фаза газа (с температурой электронов Т_е ~ 0.1 кеУ и высокой температурой протонов) во внешних областях скоплений не дает значительного вклада в поток ЭЗС. Необходимое условие, на массу скоплений, для того, чтобы пропавшие барионы были скрыты в оболочке барионов, выполнено, поскольку масса скоплений сравнима по величине со значением характеристической массы.

В девятой главе предложено аналитическое описание движения газовой подструктуры. Сила сопротивления должна быть учтена для получения корректного решения. Одно из наиболее важных ее проявлений - разделение в пространстве галактик и барионов в скоплении 1Е0657-558. Движение газовой подструктуры определяется характеристическим параметром в модели «поршень в трубе». Когда значение характеристического параметра меньше 1, газовая подструктура может пройти через ядро большого скопления (например, 1Е0657-558). Мы также изучили случай когда значение характеристического параметра превышает 1 и эффект силы сопротивления на движение газовой подструктуры значительный (например АЬе11~1763). Дана оценка скорости ударной волны перед газовой подструктурой. Рассмотрен метод для определения положение гало темной материи в скоплениях, в которых барионы и темная материя разделены в пространстве.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Было предложено использовать спектральный наклон эффекта Зельдовича-Сюняева для получения объективной информации о свойствах различных распределений электронов в скоплениях галактик: температуры газа для теплового распределения электронов, комбинации спектров тепловых и нетепловых электронов, параметра стохастического ускорения для ускоренной популяции электронов. Было вычислено аналитические выражения для

спектрального наклона эффекта Зельдовича-Сюняева в диапазоне частот х = 3.5 - 4.5 для различных популяций электронов. Было показано, что в этом диапазоне частот спектральный наклон эффекта Зельдовича-Сюняева не зависит от значения пекулярной скорости, потому что спектр кинематического ЭЗС чрезвычайно плоский в этом диапазоне частот.

2. Было показано, что отношение потоков линий железа зависит от присутствия надтепловых электронов, предложенных для объяснения измерений жесткого рентгеновского излучения от скоплений галактик. Влияние популяции надтепловых электронов на отношение потоков линий железа сильнее в скоплениях с низкой температурой (таких как Abell 2199), чем в скоплениях с высокой температурой (как Coma), потому что доля тепловых электронов с энергиями выше потенциала ионизации гелиеподобного железа в холодных скоплениях меньше, чем в горячих скоплениях.

3. Было показано, что надтепловые электроны могут влиять на определение наличия металлов и, поэтому, определение металличности - многообещающий метод для анализа популяции надтепловых электронов.

4. Было предположено, что низкая доля барионов, выведенная посредством наблюдения ЭЗС (Afshordi et al. 2007) на картах космического микроволнового излучения, полученных из данных WMAP, может быть объяснена отклонением от теплового равновесия во внешних областях скоплений, в которых электроны и протоны не находятся в тепловом равновесие. Такая теплая фаза межгалактической среды во внешних областях скоплений не вносит значительного вклада в поток ЭЗС. Необходимое условие на массу скопления, для того чтобы скрыть барионы во внешней барионной оболочке, выполнено, поскольку массы скоплений сравнимы со значением характеристической массы М=10л15 Msun.

5. Были воспроизведены основные свойства скопления Bullet cluster. Также было изучена система двух скоплений, при столкновении которых газовые сгустки останавливаются, а галактики отделяются от газовой компоненты.

Прохоров Дмитрий Анатольевич

АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СКОПЛЕНИЙ ГАЛАКТИК

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 29.04.2009. Формат 60 х 84 1/16. Печать офсетная. Усл.

[юч. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 60 экз. Заказ № ф-058

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» Отдел автоматизированных издательских систем «ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ» 141700, Моск. обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

Part I Введение.

1. Тепловое, рентгеновское излучение и эффект Зельдовича-Сюняева.

1.1 Тормозное излучение.

1.2 Излучение линий

1.3 Эффект Зельдовича-Сюняева.

2. Наблюдение металлов.

2.1 Оценки содержания металлов.

2.2 Отношение потоков линий железа.

3. Нетепловое излучения.

3.1 Избыток ультрафиолетового излучения.

3.2 Избыток жесткого рентгеновского излучения.]

3.3 Нетепловые механизмы излучения.

4. Ускорение частиц и процессы релаксации.

4.1 Ускорение частиц из фоновой плазмы.

4.2 Процессы релаксации.

4.3 Ударные волны в скоплениях.

Part II Анализ и моделирование высокоэнергетичного излучения от скоплений галактик.

5. Спектральные свойства эффекта Зельдовича-Сюняева.

5.1 Спектр теплового эффекта ЗС около частоты нуля теплового эффекта.

5.2 Спектр нетеплового эффекта Зельдовича-Сюняева.

5.3 Комбинация теплового и нетеплового ЭЗС.

5.4 Эффект Зельдовича-Сюняева от ускоренных электронов

5.4.1 Зависимость Xq и S от параметра ускорения

5.4.2 Вклад кинематического ЭЗС в наклон общего ЭЗС