本文關鍵詞：星系團和星系群中IGM標定關系的X射線研究及在低頻射電觀測中的應用　出處：《上海交通大學》2013年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：星系團和星系群的尺度達Mpc量級，是宇宙中已知的最大引力束縛體和暗物質的發(fā)現地，在星系和宇宙學研究中具有特殊重要意義。星系際介質（intergalactic medium，即IGM1）是星系團和星系群內重子物質的主導存在形式，占據了重子物質總量的約7085%。IGM的溫度高達1078K，其輻射主要集中在X射線波段。因此，自上世紀70年代以來，圍繞星系團和星系群開展的研究工作中有相當大一部分是借助于空間X射線觀測完成的。 最近十年以來，星系團和星系群的研究呈現出兩大趨勢。第一，新一代X射線空間天文臺Chandra等已對此類天體已進行了3000多次觀測，在數據庫中積累了大量優(yōu)質圖像和光譜數據。如何有效地深入系統(tǒng)挖掘其中蘊含的豐富物理信息已成為近年來美國國家航空航天局、歐洲航天局、日本宇宙科學研究所等機構的優(yōu)先資助方向；第二，在與X射線相對的電磁波波譜另一端，各國紛紛設計和建造大型低頻射電天文干涉陣列，并把對星系團射電暈和射電遺跡的研究列為所有這些陣列的首選科學目標之一。這兩個趨勢逐年升溫，尤其是后者呈現已出較為活躍的局面。 我們注意到上述兩個趨勢事實上是高度互補且密不可分的。這是因為：（1）過去基于中、小X射線樣本獲得的星系團和星系群諸重要物理量之間的標定關系，雖然在總體上與自相似理論的預言非常接近，但仍存在不同程度的整體或局部偏離。這一現象涉及星系團和星系群自身、乃至更大尺度宇宙結構的形成和演化圖景，，已成為一個亟待解決的前沿難題。究其原因，可能與活動星系核（active galactic nucleus，即AGN）的反饋和并合等物理過程有關聯(lián)。但是，受限于過去的研究樣本規(guī)模較小，以及缺乏足夠的AGN反饋和并合觀測證據這兩個事實，十多年來尚未能對標定關系的偏離現象做出合理解釋。顯然，為解決這個問題，除了構建更完備的X射線樣本以外，還要求必須同時在迄今為止較難開展探測、但AGN反饋和并合特征更加顯著的低頻射電波段上積極尋找確鑿證據；（2）據推算，大約三分之一的星系團擁有蘊含著星系團演化重要信息的射電暈或射電遺跡，這些特征在低頻射電波段更為顯著。由于這些特征可能正是起源于上面提及的AGN反饋、并合等高能過程，為了弄清其起源就必須在開展射電研究的同時密切兼顧X射線研究。此外，低頻射電天文的一項要務是研究宇宙再電離時期和黑暗時期的極微弱信號。這些信號被強前景所掩蓋、不宜探測，而星系團和星系群正是強前景中的主要干擾成分之一。如何正確識別并分離強度超過目標信號2-3個數量級的星系團和星系群干擾信號，是擺在全世界天文學家面前的公認難題。顯然，任何可行方案都必然要以星系團的射電-X射線輻射關聯(lián)性這一強觀測約束為依據和出發(fā)點。基于上述兩點即可判斷，在X射線和低頻射電波段同時開展星系團和星系群的研究，有其深刻內在物理原因，也是當前天體物理界的大趨勢。 在上述背景下，我們以星系團和星系群內極高溫X射線氣體為對象，圍繞總引力質量-氣體溫度關系（Mtot TX關系）、氣體占總引力質量的比例（fgas）、如何在低頻射電波段識別和分離星系團輻射信號等開展了相互關聯(lián)的觀測和模擬研究工作，取得了如下結果：（1）分析了Chandra空間X射線天文臺過去13年間積累的總數1496次星系團和星系群觀測，篩選出342個具有足夠空間分辨率、視場覆蓋、高信噪比的有效源，用這些紅移分布于0-1.4的源構成了目前為止最大的Chandra星系團和星系群樣本。發(fā)現高溫星系團子樣本嚴格遵循理論預言的Mtot TX關系（Mtot∝TαX，α=1.5），而低溫星系團和星系群則略向高溫端偏移，使整個樣本呈現一個更陡的Mtot TX關系（α=1.80±0.02）。經BCES統(tǒng)計分析，發(fā)生偏移的是TXTbreak=2.58±0.17keV的低溫系統(tǒng)。與此同時，我們發(fā)現在TX Tbreak的高溫系統(tǒng)中，X射線氣體占總引力質量的比例為fgas=12.9±3.3%，與ΛCDM模型預言基本一致。而在低溫系統(tǒng)中，fgas呈現顯著的隨溫度下降而降低的趨勢。我們提出，上述兩個現象的起因很可能是共同的，即IGM所受的額外加熱在低溫系統(tǒng)中更加明顯；（2）在上述工作1中獲得準確的Mtot TX等標定關系的重要應用意義，在于將它與其它各類觀測限制和理論預言結合后，我們得以用高仿真模擬方法實現了星系團和星系群低頻射電光譜和空間分布模型的構建。再輔之以銀河系、河外點源（含恒星形成星系、射電噪AGN和射電寧靜AGN）、宇宙再電離信號在低頻射電（50200MHz）等成分的光譜和空間分布模型的高仿真構建，我們獲得了目前最復雜、仿真度最高的低頻射電天空模擬；（3）使用上述工作2的高仿真低頻射電天空模型，我們通過引入獨立成分分析和小波探測聯(lián)合算法，證明了使用21CMA累積一個月的觀測數據，可以成功探測到視場內大約80%的亮（中央亮溫度在65MHz處10K）星系團，并能準確提取出其表面亮度和光譜信息。此方法可以幫助我們在不久的將來使用新一代低頻射電望遠鏡識別和分離星系團輻射信號，開展星系團并合、電子加速機制以及IGM磁場的研究；（4）使用上述工作2的高仿真低頻射電天空模型，我們改進了前人提出的宇宙再電離時期中性氫21厘米信號的分離方法，提出了頻譜空間中的三頻帶窄帶二次多項式擬合法，證明了以此新方法不但可以成功恢復再電離時期中性氫21厘米信號在各個尺度上的結構特征，而且可以準確限制再電離模型參數，將能幫助我們了解再電離過程發(fā)生的時間、強度和演化速率，為檢驗各種宇宙學模型提供更為準確的信息。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P15;P161

【共引文獻】

相關博士學位論文 前2條

1 顧俊驊;星系團的多波段觀測[D];上海交通大學;2011年

2 王宇;星系群和星系團高溫氣體中的X射線子結構及中央氣體熵超出[D];上海交通大學;2010年

本文編號：1337578