1. すざく衛星を用いたペルセウス 座 銀河団高温ガスのバルク モーションの探索 大阪大学大学院 理学研究科 宇宙地球科学専攻 常深研究室 博士前期 2 年 蓮池 和人

2. Outline 銀河団 ペルセウス座銀河団・すざくによる観測 ペルセウス座銀河団高温ガスの速度差 銀河団高温ガスの圧力、全質量推定に対 するバルクモーションの影響 銀河団における赤方偏移 まとめ

3. 銀河団 (http://chandra.harvard.edu/xray_sources/galaxy_clusters.html) 可視光のイメージ X 線のイメージ うみへび座 A 銀河団 （距離～８億光 年） 温度数千万度の高温ガス 密度 10 -3 個 /cc １００万光年 数十～数百の銀河の集団

4. 銀河団の衝突とサブクラスター構造 銀河団衝突のシミュ レーション (http://chandra.harvard.edu/resources/anima tions/galaxy_clusters.html)  時間スケールは数 Gyr 。  銀河団は衝突を繰り 返すことで成長する。 衝突前：Ｘ線放射の輝度分布、銀河の速度 分布で観測されるサブクラスター構造。 衝突後：高温ガスの温度分布で観測される 高温ガスの加熱、圧縮現象。 衝突の観測的証拠

5. 18000 16000 20000 Velocity (km/s) Number of Galaxies 25 20 15 10 5 0 (Berrington et al. 2002) 銀河団衝突の観測的証拠 A2256 の例 Right Ascension (J2000) Declination (J2000) Ｘ線の輝度分布 17h04m 78d50m 78d40m 78d30m 17h08m17h00m 1Mpc 銀河の視線方向の速度分布 2000km/s

6. 67 Energy (keV) 6.5 1 2 40 Counts/sec/keV 6.7 10 Fe He line Fe H line X 線スペクトルモデル 温度数千万度Ｘ線スペクトルのドップラーシフト測定 z=0 z=0.01 ~3000km/s 66eV X 線 CCD で観測すると 銀河団高温ガスが放射する 6.7keV の鉄輝線のドップ ラーシフトから速度を測定 する。 最大で鉄輝線の速度分散で ある 130km/s までの速度差 を見分けられる （銀河で 測定した場合は 1000km/s ） ほとんど試みられていない 新しい手法 67 Energy (keV) 6.5 1 2 40 Counts/sec/keV 6.7 10 z=0 z=0.01 Fe He line Fe H line X 線 CCD のエネルギー分解能 （ 1  ）は 60eV 程度。 3000km/s の速度に相当。 より高いエネルギー分解能が 必要か？ → No 鉄輝線光子を数 10 個集めるこ とができれば、鉄輝線の中心 エネルギーを 1000km/s 以下の 精度で求められるはず。 Ｘ線スペクトルのドップラー シフト測定による高温ガスの バルクモーションの探索 → 本研究の目的 Ｘ線スペクトルのドップラー シフト測定による高温ガスの バルクモーションの探索 → 本研究の目的 高温ガス（希薄プラズマ） が放射するＸ線スペクトル のドップラーシフトを測定 する。 6.7keV の He-like 鉄輝線のエ ネルギーが最も重要。 熱運動による鉄輝線のひろ がりは 130km/s 。（銀河の 速度分散 1000km/s より小さ い） しかし、過去の観測例は非 常に限られている。 1s 2 -1s2p 1 S- 1 P w 6.702keV Resonance line 1 S- 3 P 2 x 6.683keV Intercombinationline 1 S- 3 P 1 y 6.669keV Intercombinationline 1s 2 2p-1s2p 2 1 S- 3 S z 6.638keV Forbidden line FeXXV(He-like) 銀河団衝突の観測的証拠を探す

7. 硬 X 線検出器 X 線 CCD カメラ X 線望遠鏡 すざく衛星 6.5m 5.4m 全長 :6.5m 幅： 5.4m 直径： 2.1m 重量： 1700kg

8. X 線 CCD カメラ（ XIS ） すざく衛星搭載の X 線天体観測 用の CCD カメラ。天体の撮像 とスペクトルの取得を目的と する。 特徴 ・ 0.2-12keV に有効な感度をもつ。 XIS 12cm 15cm 30cm ・優れたエネルギー分解 （ 130eV@6.5keV ） ・低バックグラウンド 衛星上での各検出器の配置図 HXD XIS4 台でそれぞれ電荷の転送 方向が異なる XIS1 XIS2 XIS3 XRS XIS0 ACTX ACTY 55 Fe

9. 近傍の明るい銀河団の代表。光子をたくさん集める ことができる。 ペルセウス座銀河団 温度分布から、非常に複雑 な構造をしていることが分 かっており、衝突が起こっ ていることが示唆されてい る。 10keV 以上の高温ガ ス 6keV 以下の低温 ガス T.Furusho, N.Y. Yamasaki, 2001, ペルセウス座銀河団の温度分布 P8 P6 P4 P2 すざく搭載 XIS で観測した、ペルセウス座銀 河団 のイメージ それぞれの円の半径～ 2′ ( 空 間分解能～ 2′) 3h21m 3h20m 3h19m 41°20′ 41°30′ 41°40′ Right Ascention(J2000) P1 P3 P5 P7 Declination(J2000) E.Churazov, W. Forman, et.al (2003) P1 P1’ P2 P2’ P3 P3’ P4 P4’ P5 P5’ P6 P6’ P7 P7’ P8 P8’ Right Ascention(J2000) Declination(J2000) 60kpc

10. 輻射モデルの検討 Right Ascention(J2000) Declination(J200 0) P1 P4 P2 P3 P5 P6 P7 P8 2′ Energy(keV) normalized counts/sec/keV He-like Fe-Kα 5 10 H-like Fe-Kα He-like Fe-Kβ ＋ NI-Kβ 赤方偏移 z =(E0 － Eobs)/Eobs ３つのモデルで、各ポジション、センサー毎にスペクトル フィット ● 連続成分＋ gaussian 輝線モデル ●mekal( 希薄高温プラズマからの輻射モデル ) XIS3 20060201 20060829 20060829(SCI54) 20060829(SCI108) 4 回の観測データを使用 ●mkcflow ( cooling flow : ガスの温度 勾配によるガスの流れに対するモデル 1 2 5 Energy(keV) ●mkcflow ( cooling flow : ガスの温度 勾配によるガスの流れに対するモデル 平均観測時間 33ks 6.677keV 測定値

11. エネルギースケールの較正 ・ガスが視線方向に 1000km/s で運動していると → 鉄輝線が 22eV シフトして観測され る 22 eV 鉄輝線 6.7 keV の 0.3 ％ XIS のエネルギースケールが正しく見積も られているかが非常に重要 通常の解析方法では、 ●CCD の電荷読み出し方向に対 して、エネルギーのズレ。 XIS0 ACTY 300 400600 700 20060201 20060829 redshift 0.012 0.016 0.02 XIS3 redshift 0.012 0.016 0.02 XIS2 XIS1 redshift 0.012 0.016 0.02 redshift 0.012 0.016 0.02 ACTY 300 400600 700 ACTY 300 400600 700 ACTY 300 400600 700 新たに補正方法 を開発 ● エネルギー絶対値のズレ が見られた。 20060829 20060201 20060829 （ SCI54) 20060829 （ SCI108) 期待値 5.895keV(Mn-Kα) XIS0 XIS1 XIS2 XIS3 5.84 5.88 5.92 line center(keV) 補正前 補正後 XIS2 XIS1 XIS0 XIS3 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 redshift 0.012 0.018 同じポジションにおける、 センサー間でのばらつきが 大きく、全体的な傾向が分 からない。 センサー間の補正か ら 求まった真 の赤方偏移 XIS2 XIS1 XIS0 XIS3 センサー間での違いが小さくなり、全 体的な傾向が分かるようになった。

12. 4200 km/s ペルセウス座銀河団高温ガスの速度差 0.01 0.014 redshift 0.018 3000 km/s 5400 km/s redshift 0.01 0.014 0.018 5400 km/s 4200 km/s 可視光の赤方偏移 (0.0183) 20060201 20060829 20060829(SCI54) 20060831(SCI108) 4 回の観測データに対 して補正を行った赤方 偏移の分布。 609km/s 1053 km/s P5 P7 P6’ P1’ P5’ 中心領域 P0 の赤方偏移 誤差 90% エラー P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1’ P2’ P3’ P4’ P5’ P6’ P7’ P8’ 3000 km/s P1’ P2’ P3’ P4’ P5’ P6’ P7’ P8 267km/s P1’ P3’ 417km/s P1 P1’ P2 P2’ P3 P3’ P4 P4’ P5 P5’ P6 P6’ P7 P7’ P8 P8’ Right Ascention(J2000) Declination(J2000) 60k pc 最大の速度差は、東西における速度勾配の 存在を示唆している。

13. すざく vs XMM-Newton XMM-Newton と比較を行うため、すざ くと同じ領域で、同様の解析を行った。 すざ く XMM-Newton (MOS1+MOS2) 933 km/s 609 km/s 赤方偏移の平均値はすざく、 XMM-Newton でほぼ等しいが、 20060201 の データでは傾向が逆になっている。 系統誤差の範囲内で有意な速度差は得られない。 4800 km/s 4200 km/s 3600 km/s P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 redshift 0.012 0.014 0.016 中心領域 P0 の赤方偏移

14. 解析結果のまとめ ● すざく データ 後退速度 ( 大 ) km/s 後退速度 ( 小 ) km/s 速度分散 km/s 最大速度差 km/s MOS4506±216(P5)3573±192(P1)315933±285 PN5028±408(P4)3825±258(P2)3601203±483 ● XMM-Newton → すざくの結果より、速度差の上限値として 1000 km/s データ 後退速度 ( 大） km/s 後退速度 ( 小 ) km/s 速度分散 km/s 最大速度差 km/s 200602014278±168(P7)3669±216(P5)222609±274 200608293888±204(P6’)3471±228(P1’)190417±306 20060829(SCI54)4689±228(P5’)3816±294(P1’)3321053±372 20060831(SCI108)4869±174(P3’)4602±213(P1’)88267±275

15. 議論 1 銀河団高温ガスの圧力、全質量 推定に対するバルクモーションの影響 静水圧平衡の仮定が銀河団全質量の見積もりに対してど の程度妥当か ? ガスが速度 σ r ＝ Δv/2=500 km/s で回転しているとすると、 ICM 中の音速 1190 km/s におけるランダムな熱運動の圧力に加え、遠心 力に伴う圧力が加わる。静水圧平衡にこの寄与を加えると次式のよ うに書ける。 静水圧平衡の式 静水圧平衡を仮定したペルセウス座銀河団の質量見積もりは、 約 1.8 倍間違っている可能性がある。

16. 議論 2 銀河団における赤方偏移 平均 5470km/s 速度分散 ～ 1000km/s 0 2000 4000 6000 8000 velocity(km/s) 0 50 100 150 radius(min) 今回の観測領域 可視光の後退速度 5470 km/s X 線の後退速度 4200 km/s number 5 10 15 20 25 -2 -1 0 1 2 (V – 5470)/σ 可視光の赤方偏移 (0.0183) redshift X 線により求めた赤方偏移の 平均 ( 0.014 ) 0.01 0.014 0.018 P0 P2 P4 P6 P8 ① Luminosity(4 ｄ 2 ×flux) が約 2 倍違ってくる。 X 線により求めた赤方偏移の平均～ 0.014 、 一方、可視光は～ 0.018 。 → 後退速度が約 1200km/s 違う。 ② 銀河も高温ガスも暗黒物質に束縛されている にもかかわらず、両者の運動が異なることを意 味する。 メンバー銀河の速度分布 （ S.M.kent, et.al 1983)

17. まとめ すざく衛星を用いてペルセウス座銀河団のバル クモーションを探索した。 エネルギースケールの新たな較正方法を開発し た。 ペルセウス座銀河団の中心 150kpc の領域内にお いて、速度差の上限値として 1000 km/s が得られ た。 XMM-Newton の観測で得られた結果は、すざく の 4 回の観測とは逆の傾向が得られ、系統誤差の 範囲内で有意な速度差は得られなかった。 ランダムな熱運動以外にガスのバルクモーショ ンがあれば静水圧平衡からのずれにより暗黒物 質質量推定に 1.8 倍の影響がある分かった。 X 線により求めた銀河団の後退速度は可視光より も 1200 km/s 小さいことが分かった。