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よしおみょうだに
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1 Non- Equilibrium Plasma in Galaxy Clusters 2018/3/7 首都大学東京大阪大学松本研究室井上翔太 (shota@ess.sci.osaka- u.ac.jp) 1

2 目次 Ø 本研究の背景 Ø 衝突銀河団中の電離非平衡プラズマの探査 Ø イオン電子間の非平衡状態の探査 Ø 結論 Abell 754の観測結果 Cygnus A clusterの観測結果ひとみ衛星によるPerseus 銀河団の観測結果 2

3 目次 Ø 本研究の背景 Ø 衝突銀河団中の電離非平衡プラズマの探査 Ø イオン電子間の非平衡状態の探査 Ø 結論 Abell 754の観測結果 Cygnus A clusterの観測結果ひとみ衛星によるPerseus 銀河団の観測結果本日の上田さん講演 3

4 目次 Ø 本研究の背景 Ø 衝突銀河団中の電離非平衡プラズマの探査 Ø イオン電子間の非平衡状態の探査 Ø 結論 Abell 754の観測結果 Cygnus A clusterの観測結果ひとみ衛星によるPerseus 銀河団の観測結果 4

衝突銀河団銀河団の進化過程衝突銀河団の特徴 u 非対称な IntraclusterMedium(ICM) 分布 u 衝突により生じた衝撃波の存在 u 衝撃波で加速された電子のシンクロトロン放射衝突銀河団 :Bullet Cluster X- ray Dark Matter Image Credit: X-

5 衝突銀河団銀河団の進化過程衝突銀河団の特徴 u 非対称な IntraclusterMedium(ICM) 分布 u 衝突により生じた衝撃波の存在 u 衝撃波で加速された電子のシンクロトロン放射衝突銀河団 :Bullet Cluster X- ray Dark Matter Image Credit: X- ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al. Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. 5

6 衝突銀河団銀河団の進化過程衝突銀河団の特徴 u 非対称な IntraclusterMedium(ICM) 分布 u 衝突により生じた衝撃波の存在 u 衝撃波で加速された電子のシンクロトロン放射衝突銀河団 :CIZA J2242.8(Sausage Cluster) Ogrean+13,14 Akamatsu+15 SZ+radio blue: X-rays red: radio synchrotron マッハ数 ~ 1 2 V s ~ 1,000 2,000 km/s 6

7 銀河団の電離非平衡 (NEI) プラズマ v 銀河団の成長のタイムスケールが数 Gyr であるため ICM(n e ~10-3 /cm -3 ) は平衡状態であることが仮定されている v 観測的検証は少なくその検出例はない衝突銀河団の衝撃波付近であれば NEI 状態が存在するのでは?? Akahori+10 による衝突銀河団のシミュレーション Color map: ICM の密度分布 Black Contour : ダークマターの質量分布 White Contour : マッハ数の分布

? Akahori+10 による衝突銀河団のシミュレーション Color Color map: map: FeICM XXV の密度分布 / Fe

8 銀河団の電離非平衡 (NEI) プラズマ v 銀河団の成長のタイムスケールが数 Gyr であるため ICM(n e ~10-3 /cm -3 ) は平衡状態であることが仮定されている v 観測的検証は少なくその検出例はない衝突銀河団の衝撃波付近であれば NEI 状態が存在するのでは?? Akahori+10 による衝突銀河団のシミュレーション Color Color map: map: FeICM XXV の密度分布 / Fe XXVI 強度比の Black 平衡状態からのずれ Contour : ダークマターの質量分布衝撃波加熱により White Contour : マッハ数の分布非平衡状態が生じる

9 電離パラメータプラズマの電子温度に対する電離の進行具合を表す指標電離パラメータ : τ = n e t n e 電離平衡の条件 : τ <10 13 s cm -3 : 電子密度 t > : 電離非平衡が生じてからのタイムスケール T 電子温度 T e 電離平衡状態電離温度 T z n e t 電離パラメータがわかれば NEI が生じてからのタイムスケールを見積れる

10 電離パラメータプラズマの電子温度に対する電離の進行具合を表す指標電離パラメータ : 本研究の目的 T n e 電子温度 T e τ = n e t 電離非平衡の条件 : τ <10 13 s cm : 電子密度 ICM 中のFe t輝線比を見積り NEI 状態を世界初検出する : 電離非平衡が生じてからのタイムスケール電離温度 T z 電離平衡状態 2. 電離パラメータを用いて加熱の履歴を調べこれまでにない視点から銀河団進化を議論 n e t 電離パラメータがわかれば NEI が生じてからのタイムスケールを見積れる

11 衝突銀河団 Abell 754 u 非対称な表面輝度分布をしたmerging Cluster u 衝突から ~0.3 Gyrの姿 (Roettiger+98) u 南東方向にM=1.57の衝撃波の存在 (Macario+11) 300kpc Shock front 衝突方向 Chandra のイメージ (Macario+11) 11

12 衝突銀河団 Abell 754 u 非対称な表面輝度分布をしたmerging Cluster u 衝突から ~0.3 Gyrの姿 (Roettiger+98) u 南東方向にM=1.57の衝撃波の存在 (Macario+11) 300kpc すざく衛星が観測した領域 Shock front Chandra のイメージ (Macario+11) 安定したバックグラウンドで観測が行えるすざく衛星のデータを用いる 12

13 すざくの観測 :Abell 754 観測日 :2007 年 5 月 29 日露光時間 : 109ks 衝突の方向に沿って 6 つの領域を定義 (Reg1 ~ 6) XIS0 のイメージ 5 = 336kpc 13

14 スペクトルフィット結果 (e.g., Reg2) 連続成分と FeXXV/FeXXVI 輝線強度比から電離パラメータを見積る NEI プラズマモデル (Ver.3.0.0) を用いる Count s -1 kev -1 χ Fe XXV 0.1 Reg : FI + : BI 2 5 Energy (kev) 5 Fe XXVI 10 マゼンタ : Reg2 の放射成分一点鎖線 : 隣り合う領域からの漏れ込み成分 14

15 スペクトル解析結果 Publications of the Astronomical Society of Japan (2016), Vol. 00, No. 0 7 * error: 90% CL Publications of the Astronomical Society of Japan (2016), Vol. 00, No region number 高温領域でNEI 状態を検出 Reg5は衝撃波加熱直後か? Electron Density (x10-3 cm -3 ) main cluster Equilibrium sub- cluster 銀河団としては初のNEI 観測例 * Inoue et al. 2016, PASJ, 68, S23 15

16 衝撃波と電波放射銀河団の南東側に衝撃波が存在し電波のプロファイルと相関している (Macario+11; Chandra の結果 ) density discontinuity Macario+11 黒のコントア : 330MHz 電波放射 (GMRT, 3sigma) 北西側の電波放射の縁が NEI の領域付近に位置している北西側に2 番目の衝撃波が存在するか検証する 16

Analysis of the XMM- Newton data u チャンドラの観測は NEI 領域付近をカバーしてない u すざくのデータは角度分解能が shock を検出するのに十分でない北西側の Shock を検出すべく XMM- Newton のデータを用いて解析する XMM Observations of

17 Analysis of the XMM- Newton data u チャンドラの観測は NEI 領域付近をカバーしてない u すざくのデータは角度分解能が shock を検出するのに十分でない北西側の Shock を検出すべく XMM- Newton のデータを用いて解析する XMM Observations of Abell 観測のデータを使用 A754_f1 (East; 13.6ks*) A754_f2 (West; 4.9ks*) A754_f3 (North; 12.0ks*) A754_f4 (South; 12.1ks*) * フレア除去後の MOS1 の exposure time 5 = 336kpc 17

18 表面輝度の Profile u 電波コントアの縁付近の表面輝度を抽出する u Jump をもつ 2 つの powerlaw でフィットする u Projection の効果も考慮する -2 Surface brightness (Counts arcmin s -1 ) 5 10 n(r) r - a1 x j12 r - a2 r Projected radius (arcmin) 18

19 表面輝度の Profile u 電波コントアの縁付近の表面輝度を抽出する u Jump をもつ 2 つの powerlaw でフィットする u Projection の効果も考慮する -2 s -1 ) Surface brightness (Counts arcmin 5 10 n(r) r - a1 x j12 r - a2 r Projected radius (arcmin) 19

20 表面輝度の Profile u 電波コントアの縁付近の表面輝度を抽出する u Jump をもつ 2 つの powerlaw でフィットする u Projection の効果も考慮する -2 s -1 ) s -1 ) -2 Surface brightness (Counts arcmin Surface brightness (Counts arcmin n(r) r - a1 x j12 r - a2 r Projected radius (arcmin) 20

21 表面輝度の Profile u 電波コントアの縁付近の表面輝度を抽出する u Jump をもつ 2 つの powerlaw でフィットする u Projection の効果も考慮する不連続面が電波放射の縁と対応 s -1 ) s -1 ) -2-2 Surface brightness (Counts arcmin Surface brightness (Counts arcmin Projected radius (arcmin) n(r) r - a 密度ジャンプを検出! x j / r - a ジャンプを持たないモデルは % の危険率で棄却できる r

22 スペクトルフィット温度構造 u スペクトル解析から表面輝度の不連続面前後での温度構造を調べる Density jump A1 A2 B2 B1 5 = 336kpc kt (kev) x Projected radius (arcmin) 密度ジャンプが 1 接触不連続面による場合 : 温度は外側で1.26 倍になる (pressure equilibrium). 2 Shock frontによる場合 : 温度は外側で0.85 倍になる (Ranking- Hugoniot). 温度構造の結果は 1の仮説を0.04% の危険率で棄却できる 22 一方 2とは矛盾ない

23 Abell 754 の描像 u Abell 754の両側に衝撃波面を発見両側の衝撃波面が X 線 & 電波により検出された稀な例 u 二つの衝撃波面は電波放射の縁に位置衝撃波の内側で電子が加速されている M~1.17 M~1.57 XMM image of Abell kpc Contour: Radio 330 MHz 23

Abell 754 の描像 u 電離パラメータから見積もられる加熱からの経過時間 0.

24 Abell 754 の描像 u 電離パラメータから見積もられる加熱からの経過時間 Myr u 北西側の衝撃波がReg5(~100kpc) を通過するタイムスケール 69 Myr NEI 状態は北西側の衝撃波加熱によって生じた M~1.17 M~1.57 XMM image of Abell kpc Contour: Radio 330 MHz 24

25 Summary 電離非平衡という観点から Abell 754 のプラズマの電離状態を調査したすざく衛星の観測で北西側の高温領域 (~13±1 kev) から電離非平衡状態を検出した銀河団プラズマで NEI 状態が検出されたのは初めて XMM- Newton 衛星の観測から北西領域に付近から衝撃波 (M=1.17) を発見した電離パラメータから見積もった加熱からの経過時間は衝撃波の通過時間と矛盾ない銀河団プラズマで衝撃波加熱の時間情報を制限した初めての観測例 25

26 目次 Ø 本研究の背景 Ø 衝突銀河団中の電離非平衡プラズマの探査 Ø イオン電子間の非平衡状態の探査 Ø 結論 Abell 754の観測結果 Cygnus A clusterの観測結果ひとみ衛星によるPerseus 銀河団の観測結果 26

27 Cygnus A cluster Main clusterと sub- clusterがすれ違う前の衝突初期銀河団間の温度は高く衝撃波加熱を示唆 (Markevitch+99) ASCA 衛星の観測 (Markevitch+99) Main Subcluster Main clusterの中心に電波銀河 Cygnus Aが存在 Radio Galaxy Cygnus A (Smith+02) 27

28 Suzaku observation すざくによる2 観測のデータを解析 1 Obs 年 11 月 15 日 44.7 ks 2 Obs 年 11 月 19 日 42.5 ks 1 Obs1 2 Obs2 Sub Sub Main Main 210 kpc 210 kpc 5 領域に分けてスペクトル解析を行う 28

29 スペクトル解析結果 Reg2 で Significant に温度が高くなっていることを発見した Reg2 の電離パラメータは NEI の兆候があるものの有意ではない Heated region Main Subcluster kt (kev) kt (kev) kpc region number region Log n e t (s cm - 3 ) Ionization parameter (s cm 3 ) kpc equilibrium region number region equilibrium 1sigma CL 90% CL 29

30 ICM の運動 mainとsubの間でredshiftに差があった (X 線の鉄輝線から決めた ) Δz = / Δv LOS = /- 360 km/s X 線データによる ICM のバルクモーションは 3 例目! 温度ジャンプから相対速度がわかる Δv 3D = 920 +/- 390 km/s redshift Redshift ICM の redshift Δz 840 kpc region number region kt kt (kev) Shock 840 kpc region number region 30

31 Cygnus A の geometry (i) Head- on merger の場合 main (ii) Offset merger の場合 main 一例 1910km/s? 920 km/s? 920km/s sub 1910km/s sub 観測者観測者 Impact parameter をもった Offset merger と考えられる 31

32 結論 n 衝突銀河団 Abell 754 北西側の高温領域 (~13±1 kev) から電離非平衡状態を検出した ( 銀河団では初めて ) その領域に付近から衝撃波 (M=1.17) を発見した電離パラメータから見積もった加熱からの経過時間は衝撃波がその領域を通過する時間と矛盾ない ICMの運動学に時間軸を与えた n 衝突銀河団中 Cygnus A cluster 2 つの銀河団間で高温領域を発見したその領域は NEI の兆候を示すものの有意ではない LOS 速度差や衝撃波の速度から Off- Axis merger であると考えられる X 線のスペクトルデータから Merger の geometry が議論できることを実証した 32

銀河団衝突にともなう高温ガスの運動がひきおこす特徴的な磁場構造 (Takizawa 2008 ApJ, 687, 951)

銀河団衝突にともなう高温ガスの運動がひきおこす特徴的な磁場構造 (Takizawa 2008 ApJ, 687, 951) JVLA S-band and X-band Polarimetry of Abell 2256 Ozawa,,,,,Takizawa, Takahashi,,,,et al. to be submitted to PASJ 滝沢元和 2015.5.8 研究室談話会 Introduction: 銀河団可視光 ( 数 100 個の銀河の集まり ) X 線数 kev の高温ガス ( シンクロトロン )