本文關(guān)鍵詞：星系團(tuán)和星系群中IGM標(biāo)定關(guān)系的X射線研究及在低頻射電觀測中的應(yīng)用　出處：《上海交通大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：星系團(tuán)和星系群的尺度達(dá)Mpc量級(jí)，是宇宙中已知的最大引力束縛體和暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)地，在星系和宇宙學(xué)研究中具有特殊重要意義。星系際介質(zhì)（intergalactic medium，即IGM1）是星系團(tuán)和星系群內(nèi)重子物質(zhì)的主導(dǎo)存在形式，占據(jù)了重子物質(zhì)總量的約7085%。IGM的溫度高達(dá)1078K，其輻射主要集中在X射線波段。因此，自上世紀(jì)70年代以來，圍繞星系團(tuán)和星系群開展的研究工作中有相當(dāng)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(tuán)和星系群的研究呈現(xiàn)出兩大趨勢。第一，新一代X射線空間天文臺(tái)Chandra等已對(duì)此類天體已進(jìn)行了3000多次觀測，在數(shù)據(jù)庫中積累了大量優(yōu)質(zhì)圖像和光譜數(shù)據(jù)。如何有效地深入系統(tǒng)挖掘其中蘊(yùn)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(xué)研究所等機(jī)構(gòu)的優(yōu)先資助方向；第二，在與X射線相對(duì)的電磁波波譜另一端，各國紛紛設(shè)計(jì)和建造大型低頻射電天文干涉陣列，并把對(duì)星系團(tuán)射電暈和射電遺跡的研究列為所有這些陣列的首選科學(xué)目標(biāo)之一。這兩個(gè)趨勢逐年升溫，尤其是后者呈現(xiàn)已出較為活躍的局面。 我們注意到上述兩個(gè)趨勢事實(shí)上是高度互補(bǔ)且密不可分的。這是因?yàn)椋海?）過去基于中、小X射線樣本獲得的星系團(tuán)和星系群諸重要物理量之間的標(biāo)定關(guān)系，雖然在總體上與自相似理論的預(yù)言非常接近，但仍存在不同程度的整體或局部偏離。這一現(xiàn)象涉及星系團(tuán)和星系群自身、乃至更大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演化圖景，，已成為一個(gè)亟待解決的前沿難題。究其原因，可能與活動(dòng)星系核（active galactic nucleus，即AGN）的反饋和并合等物理過程有關(guān)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(jù)這兩個(gè)事實(shí)，十多年來尚未能對(duì)標(biāo)定關(guān)系的偏離現(xiàn)象做出合理解釋。顯然，為解決這個(gè)問題，除了構(gòu)建更完備的X射線樣本以外，還要求必須同時(shí)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(jù)；（2）據(jù)推算，大約三分之一的星系團(tuán)擁有蘊(yùn)含著星系團(tuán)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(shí)密切兼顧X射線研究。此外，低頻射電天文的一項(xiàng)要?jiǎng)?wù)是研究宇宙再電離時(shí)期和黑暗時(shí)期的極微弱信號(hào)。這些信號(hào)被強(qiáng)前景所掩蓋、不宜探測，而星系團(tuán)和星系群正是強(qiáng)前景中的主要干擾成分之一。如何正確識(shí)別并分離強(qiáng)度超過目標(biāo)信號(hào)2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的星系團(tuán)和星系群干擾信號(hào)，是擺在全世界天文學(xué)家面前的公認(rèn)難題。顯然，任何可行方案都必然要以星系團(tuán)的射電-X射線輻射關(guān)聯(lián)性這一強(qiáng)觀測約束為依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。基于上述兩點(diǎn)即可判斷，在X射線和低頻射電波段同時(shí)開展星系團(tuán)和星系群的研究，有其深刻內(nèi)在物理原因，也是當(dāng)前天體物理界的大趨勢。 在上述背景下，我們以星系團(tuán)和星系群內(nèi)極高溫X射線氣體為對(duì)象，圍繞總引力質(zhì)量-氣體溫度關(guān)系（Mtot TX關(guān)系）、氣體占總引力質(zhì)量的比例（fgas）、如何在低頻射電波段識(shí)別和分離星系團(tuán)輻射信號(hào)等開展了相互關(guān)聯(lián)的觀測和模擬研究工作，取得了如下結(jié)果：（1）分析了Chandra空間X射線天文臺(tái)過去13年間積累的總數(shù)1496次星系團(tuán)和星系群觀測，篩選出342個(gè)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(gòu)成了目前為止最大的Chandra星系團(tuán)和星系群樣本。發(fā)現(xiàn)高溫星系團(tuán)子樣本嚴(yán)格遵循理論預(yù)言的Mtot TX關(guān)系（Mtot∝TαX，α=1.5），而低溫星系團(tuán)和星系群則略向高溫端偏移，使整個(gè)樣本呈現(xiàn)一個(gè)更陡的Mtot TX關(guān)系（α=1.80±0.02）。經(jīng)BCES統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)生偏移的是TXTbreak=2.58±0.17keV的低溫系統(tǒng)。與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在TX Tbreak的高溫系統(tǒng)中，X射線氣體占總引力質(zhì)量的比例為fgas=12.9±3.3%，與ΛCDM模型預(yù)言基本一致。而在低溫系統(tǒng)中，fgas呈現(xiàn)顯著的隨溫度下降而降低的趨勢。我們提出，上述兩個(gè)現(xiàn)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(zhǔn)確的Mtot TX等標(biāo)定關(guān)系的重要應(yīng)用意義，在于將它與其它各類觀測限制和理論預(yù)言結(jié)合后，我們得以用高仿真模擬方法實(shí)現(xiàn)了星系團(tuán)和星系群低頻射電光譜和空間分布模型的構(gòu)建。再輔之以銀河系、河外點(diǎn)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(hào)在低頻射電（50200MHz）等成分的光譜和空間分布模型的高仿真構(gòu)建，我們獲得了目前最復(fù)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(dú)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(gè)月的觀測數(shù)據(jù)，可以成功探測到視場內(nèi)大約80%的亮（中央亮溫度在65MHz處10K）星系團(tuán)，并能準(zhǔn)確提取出其表面亮度和光譜信息。此方法可以幫助我們?cè)诓痪玫膶硎褂眯乱淮皖l射電望遠(yuǎn)鏡識(shí)別和分離星系團(tuán)輻射信號(hào)，開展星系團(tuán)并合、電子加速機(jī)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(jìn)了前人提出的宇宙再電離時(shí)期中性氫21厘米信號(hào)的分離方法，提出了頻譜空間中的三頻帶窄帶二次多項(xiàng)式擬合法，證明了以此新方法不但可以成功恢復(fù)再電離時(shí)期中性氫21厘米信號(hào)在各個(gè)尺度上的結(jié)構(gòu)特征，而且可以準(zhǔn)確限制再電離模型參數(shù)，將能幫助我們了解再電離過程發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度和演化速率，為檢驗(yàn)各種宇宙學(xué)模型提供更為準(zhǔn)確的信息。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P15;P161

【共引文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 顧俊驊;星系團(tuán)的多波段觀測[D];上海交通大學(xué);2011年

2 王宇;星系群和星系團(tuán)高溫氣體中的X射線子結(jié)構(gòu)及中央氣體熵超出[D];上海交通大學(xué);2010年

本文編號(hào)：1337578