CONTENTS
Part I Введение. 4
1. Тепловое, рентгеновское получение и эффект Зельдовича-Сюнясва.......................................................... 7
1.1 Тормозное излучение......................................... 7
1.2 Излучение линий ............................................ 8
1.3 Эффект Зельдовича-Сюняева................................... 9
2. Наблюдение металлов............................................ 12
2.1 Оценки содержания металлов................................. 12
2.2 Отношение потоков линий железа............................. 32
3. Негепловое излучения .......................................... 14
3.1 Избыток ультрафиолетовою излучения......................... 14
3.2 Избыток жесткою рентгеновскою излучения.................... 35
3.3 Нетепловые механизмы излучения............................. J6
4. Ускорение частиц и процессы релаксации........................ 37
4.3 Ускорение частиц из фоновой плазмы......................... 37
4.2 Процессы релаксации........................................ 18
4.3 Ударные волны в скоплениях................................. 19
Part II Анализ и моделирование высокоэнер1г.тичного излучения от
скопления галактик. 21
5. Спектральные свойства аффекта Зсльдовича-Сюняева................22
5.1 Спектр теплового эффекта ЗС около частоты нуля
теплового э(|>фектп ....................................... 23
5.2 Спектр нетеплового эффекта Зельдовича-Сюняева.............. 27
5.3 Комбинации теплового и нетеплового ЭЗС..................... 28
5.4 Эффект Зельдовича-Сюнясва от ускоренных электронов . 29
5.4.1 Зависимость Xq и S от параметра уско)н:нин .... 31
5.4.2 Вклад кинематического ЭЗС в наклон общею ЭЗС 33
5.5 Заключение секции 5........................................ 35
5.6 Appendix................................................... 36
5.6.1 Форма ЭЗС около 'crossover' частоты ................. 36
5.6.2 Тепловой спектр электронов........................... 36
5.6.3 Степенной, нстенловой спектр электронов......... 38
Conter-
5.6.4 Комбинация тепловеє———
■ —~>И и иегенловой ПОПУЛЯЦИЙ ЭЛСКТрОНОВ........................ ^
& Анализ распределения злектронс*^^ с помощью ,тшй ж<т^
6.1 Отношение потоков линий >®*==,<елеза РеХху „ реХху[
6.1.1 Коэффициенты темшдаагит —. - '
~ л п гг ’ - ' ионизации и рекомбинации. . 41
6.1.2 Темпы возбуждения
и отношение потоков линий
железа........... .....
- 44
6.2 Анализ спектров электроио**-^ в СК0Ш1ШШЯХ
6.2.1 Скопление галактик _ -АЪе112199 .......
6.2.2 .Скопление Сота . . ''
• —............................. ,17
6.2:3 Синтетическое скошхз^зх-
— ^иие с низкой температурой . . 48
6.3 Спектр континуума .... _
6.4 Заключения секции 6 ... ' '
-.............................. 50
7. Влияние надтепливой "1--------—щ ,
элек гронов на определение
металл и чности.............
7.1 Надтепловые популяции эзт----^«тронов'„'группе НСС 62 ив ’
ядре скопления Персей . .
7.2 Влияние нодтеплопых -Г........................................ 53
^-*>тций на определение наличия
металлов...............
-.............................. 55
7.3 Заключения секции 7... _........................................................
............................. 58
8. Прппяптш» Пярипны н пДплпчка. — ппяег%„- «
_ ; гг * чокруг скоплений галактик . . 59
8.1 Предсказание доли оар*х:=— <->«,■«» вл *
^ - - *-->нов во внешних областях
скоплений посредством ГИД ----------- ---
„ „ . г с—---ЛРостатического приближения. . 60
8.2 Формирование оболочки б& г.,, ,
к 1 —^Ионои в рамках кинетической
теории ................
8.3 Отклонение от теплового Р*-=^алзНовесия....................... 65
8.4 Предсказание понижения ^*^=е,те„,.,в1,0(г1,', „„-заЭЗС.......... 66
8.5 Ультрафиолетовое излучеЕс==Ие от оболочК], барионов ‘ ' 68
8.6 Заключения секции 8 . . -
'............................... 70
9. ГГтг—г----------1-------|------Г р-|
9.1 Модель «поршень в трубе- ""“»*«» в скоплениях 72
9.2 Моделирование расп,юСтр&^ения подстр к„ ы........................ ™
9.2.1 Решение без учета ==жтэриливной силы..................... 79
9.2.2 Решение с учетом а—щ^пливной силы................... ‘ 82
9.2.3 Примеры: 1Е0657-5 «^3 и АЬеЦ 1?ез
9.3 Замедление газовой подст5^^-уктуры
9.4 Заключение секции 9 . .
88
10. Заключения.......................
H
Part I ВВЕДЕНИЕ.
I
і •
5
Скопления галактик - огромные гравитационно-связанные структуры во Вселенной. Большинство бариопов 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.
Возможные механизмы жесткого рентгеновского излучения -обратный Комптон эффект н нетенловое тормозное излучение. Лучший путь .для проверки интерпретации - сделать независимое наблюдение, которое осповано на модели интерпретации. Интерпретация жесткого рентгеновского излучения, основанная на обратном Комитоновском рассеянии (1CS) 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. Различные независимые наблюдения для интерпретации жесткого рентгеновского излучения тормозным излучением были предложены в работах: 1) Colafrancesco, S., Prokhorov, D. A., Dogicl, V. A. 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., Dogicl, 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 FeXXVF; 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”. Секции 5, 6 и 7 диссертации основаны на этих работах.
Избыток над тепловым излучением горячего газа и мягком рентгеновском диапазоне был пайден в нескольких скоплениях галактик. Найденный избыток излучения может быть объяснен тепловым излучением межгалактической среды (warm-hot intergalactic gas) температура которой ~ 10б 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-Сюияева на картах реликтового фонового излучения, полученных из данных WMAP. показали (Afshordi et al. 20-07), что значительная доля массы 35% ± 8% барнонов пропала из горячей среды (ЮМ) скопления галактик. В работе Prokhorov, D. А. (2008, Astronomy & Astrophysics, 492, 651 “Missing baryons in shells around galaxy clusters”) было предположено что низкая доля бариопов, полученная посредством измерения эффекта Зельдовича-Сюияева на картах реликтового 4>онового излучения из данных WM АР, объясняется отклонением от теплового равновесия во внешних областях скоплений.
6
Секция 8 диссертации основана на этой работе.
Скопления галактик сформировались при слияниях меньших скоплений и груші галактик. Столкновения скоплений галактик приводят к выделению огромных энергий. При столкновении двух скоплений с массами 1015Mq освобождается гравитационная энергия равная 1063 — 1064 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. к. Durret, F. (2007, Astronomy к Astrophysics, 474, 375 “An approximate theory for substructure propagation in clusters”) основные свойства скопления 1E0657-558 были вопроизведены (см. также Springe! к 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-J222 или “anti-Bullet cluster”) была открыта Bradac et al. (2008, ApJ, 687, 959). Качественная теория распространения подструктур в скоплениях рассмотрена в секции 9.
1. ТЕПЛОВОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЭФФЕКТ ЗЕЛЬДОВИЧА-СЮНЯЕВА.
В этой секции описываются разные физические процессы (тормозное излучение и излучение линий), которые являются важными для понимания теплового рентгеновского излучения диффузного газа в скоплениях галактик. Различные физические параметры могут быть выведены из рентгеновского спектра (температура, плотность, химический состав).
Эффект ЗельдовичсьСюияева вызывает изменение спектра космического микроволнового излучения в направлении на скопления галактик. Информация о газе в скоплении, полученная при измерении этого эффекта, отличается от полученной из рентгеновских спектров.
1.1 Тормозное излучение
Тормозное излучение (е-р) - физический процесс, который происходит при ускорении электронов в поле, создаваемым протонами (ядрами). Ускоренно сопровождается излучением электромагнитных волн и следовательно в потерей кинетической энергии электронов.
Для того, чтобы оценить поток излучения необходимо знать сечение процесса. Сечение в первом Борновском приближении определяется формула Bcthc-Hcitler (Heitler 1954) и применяется в астрофизических приложениях, если яд])а имеют малые атомные номера Z (т.е. водо1х>д и гелий).
Сечение Bethe-Heitler имеет вид
16 2 те<? '/Ё 4- у/Е - Ех /Л ^
аьг = ¥ а/Т'-Ё^К ъ ж (1Л)
где aj постоянная ч-онкой структуры, ге классический радиус элокт]хжа, с скорость света, Е, Ех энергии падающего электрона и излученного фотона.
Излучение приходящееся на единицы времени, единицы обьема и энергии фотона Ех для одного электрона
dW
- f f{E)<TbrVnvdE (1.2)
J
(1Ех(1Ус11
где V скорость электрона, пр плотность газа и Г(Е) распределение электронов по энергии.
Дня однотемпературной плазмы, средняя скорость электронов выше средней скорости протонов на множитель (гпр/те)1^2 » 43. Поэтому
- Київ+380960830922