Atmospheric gas dynamics in the Perseus cluster observed with Hitomi

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1 Atmospheric gas dynamics in the Perseus cluster observed with Hitomi Hitomi collaboration Shutaro Ueda, Yuto Ichinohe Ryuichi Fujimoto, Shota Inoue, Caroline Kilbourne, Tetsu Kitayama, Maxim Markevitch, Brian McNamara, Naomi Ota, Scott Porter, Takayuki Tamura, Keigo Tanaka and Norbert Werner See also Hitomi Collaboration 2017, PASJ, in press ( 2018/03/07-09 首都大

2 銀河団 Gas motions in galaxy clusters より小さな銀河団同士の衝突 合体により質量成長 中心に AGN 銀河団ガスの運動 衝突による shocks, bulk shear, and turbulence jet や bubble などの AGN の活動により誘発 様々な領域 スケールで ICM の運動が起きていると考えられている Markevitch+06 merger ~ 4700 km/s ( 実測値 ) Zhuravleva+14 Sloshing ~ 500 km/s ( 予測 ) (Ascasibar & Markevitch 06)

3 Measuring ICM motions (bulk motion) A2256 Tamura+11 X 線 CCD カメラでの測定は困難 500 km/s bulk velocity ~ kev CCD: ΔE~150 ev ドップラー効果を用いた測定 (e.g. Dupke+06, Ota+07, Tamura+11) ほとんどの銀河団では上限値のみ 視線方向衝突銀河団でのみ有意な結果が得られている (1500 +/- 300 (stat.) +/- 300 (sys.) km/s, Tamura+11) 3-40 ev ~ 1500 km/s

4 Measuring ICM motions ( 視線方向速度分散 ) A1835 Sanders+10 Pinto+15 RGS を用いた視線方向速度分散の測定 (e.g. Sanders+10, Pinto+15) 明るい中心部のコアのみ測定可 ICM の放射の拡がりが輝線幅に影響 < 1000 km/s の上限値

5 Hitomi SXS Hitomi ( 睛, ひとみ ) Eye to the Universe Soft X-ray Spectrometer (SXS) ΔE ~ 5 ev (CCD の 30 倍 ) 非分散型検出器のため拡がった放射に有利 Fe K-band で大きな有効面積

6 Hitomi SXS observation of the Perseus cluster Hitomi collaboration+16 Fe Heα Cr Mn Fe Lyα Fe Heβ Fe Heγ Hitomi SXS (microcalorimeter) Suzaku XIS (CCD) ペルセウス座銀河団 X 線で最も明るい よく研究された銀河団 Hitomiのファーストライト天体 Hitomiによる観測 計 4 pointings, 320 ksec の観測 最も長い 230 ksec のデータで Nature 論文 (H16) 非常に細い輝線幅だった

7 Hitomi SXS observation of the Perseus cluster Hitomi collaboration ±10-60 ~ ±13 ~ +90 視線方向速度分散 Center: 164±10 km/s Outer: 187±13 km/s Bulk velocity bulk shear of ~150 km/s quiescent ICM hint of non-gaussian line shape

8 Revealing spatial distribution of gas motion H16 pointing H16 からのアップデート full dataset (4 pointings, 320 ksec) 中心から 100 kpc をカバー 内部構造に沿った領域分け PSF 補正 ゲインなどの系統誤差の慎重な取り扱い NGC 1275 の redshift を可視光観測により再測定 new pointings より詳細に輝線の形状の解析 非ガウス性の調査 イオン温度の測定 Reg0: AGN & cluster core Reg3: Hα filament Reg4: NW ghost cavity

9 PSF corrected velocity maps bulk velocity (LOS velocity) LOS velocity dispersion ~100 km/s の bulk shear Bulk shear のゼロ点は NGC 1275 の redshift (z = ) と整合 low σv AGN と NW bubble の領域のみ ~200 km/s ほかは ~100 km/s で一様

10 Search for non-gaussian line shapes 輝線幅 -> 視線方向速度分散 輝線中心 -> bulk velocity 輝線の形状 -> より詳細な ICM の運動を反映 projected bulk motions, turbulence, resonant scatteing スペクトルを抽出した領域のサイズより運動のスケールが小さいと輝線の形状は Gaussian になる (e.g., Inogamov+03) Inogamov+03 ZuHone+16

11 Search for non-gaussian line shapes 最も統計の良い Fe K 輝線 (Fe Heα w, Fe Ly α, Fe He β) を使って測定 さらに統計を上げるため各輝線を Gaussian でフィットした際の差分を速度空間で足し合わせ エネルギー分解能 (~ 230 km/s) より細かい構造が現れた 天体由来とは考えづらい Voigt function を用いても同様の結果 Stacked residual in velocity space skewness, kurtosis: 0 と整合 no evidence of non-gaussianity LSF FWHM ~230km/s

12 First Tion measurement 輝線幅 -> LOS velocity dispersion 輝線中心 -> bulk velocity 輝線形状 -> projected motion, PDF イオン温度からイオンの運動を推定できる 各元素の輝線幅はガスの流体力学的運動と熱運動を反映 熱運動による幅は各元素ごとに異なる 流体力学的運動は各元素で共通

13 First Tion measurement 5σ 5σ 10σ 10σ σv = km/s (> 10 σ lines) ktion = kev (> 10 σ lines) σv は Fe Heα 輝線を用いて測った値と一致 Tion は連続成分で決めた電子温度と整合

14 Implications (origin of gas motion) σ v の起源 中心 AGN と NW ghost bubble の両方が重要 streaming motions や turbulence の重ね合わせ もし乱流起源なら : driving scale が 100 kpc より大きいと σ v は動径方向に大きくなる (e.g., Zhuravleva+12) そのような兆候は見えていない (100 kpc 積分 ) 輝線の形状は Gaussian と整合 driving scale は 100 kpc より十分小さいと考えられる (cavity のサイズと整合 ) Bulk shear の起源 (r < 100 kpc) では AGN の outburst の影響も large-scale gas sloshing (minor merger) ~200 km/s ~ - 60 km/s ~+ 40 km/s ~100 km/s

15 Implications (thermodynamics) 非熱的圧力の寄与 σv ~ km/s, Vbulk ~ 100 km/s εkin/εtherm=μmp(3σv 2 +Vbulk 2 )/3kT <~ 0.1 静水圧平衡の仮定はコア内で妥当 イオンと電子の間の熱平衡 ( クーロン散乱を仮定 ) 熱平衡に達するまでのタイムスケールは : tie ~ 1800tee ~ 43tii イオン温度と電子温度が整合していることから 最後の major な加熱からの経過時間の下限値は以下のようになる ~200 km/s ~ - 60 km/s ~100 km/s ~+ 40 km/s

16 Summary 視線方向速度分散 (σ v ) は小さく 100 kpc 内で一様 AGN と NW ghost bubble で ~200 km/s その他の領域は ~100 km/s ~100 km/s の bulk shear ゼロ点は NGC1275 の redshift と整合 non-gaussianity の兆候は見られず イオン温度は電子温度と整合 implications 中心 AGN と NW ghost bubble の両方が σv に対し重要 σ v の起源が乱流だった場合 driving scale < 100 kpc 静水圧平衡の仮定はコア内で妥当 Major heat injection から ~6x10 6 yr 以上時間が経過

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