星系团中的x射线辐射能谱.docx

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星系团中的x射线辐射能谱

摘要

星系团是宇宙学研究中非常重要的天体，得到星系团的质量就可为研究星系团中暗物质的存在提供证据，其质量分布也是确定宇宙学参数的关键。

一般情况下，星系团质量可通过分析星系团中的X射线能谱来获得，其主要方法是对X射线辐射的能谱进行拟合，就可以得到星系团中不同半径处团内介质的温度，密度分布，最后通过重力压强平衡可以得出质量。

本文是在前人的科研基础上，通过对perseus星系团不同半径处的X射线辐射进行能谱分析，用轫致辐射的机制成功拟合X射线辐射能谱，得出了团内介质的温度，密度分布，为进一步计算星系团质量奠定了基础。

关键词：

星系团；X射线；能谱；chandraX射线卫星。

Abstract

Clusterofgalaxiesisveryimportantincosmologyresearchobject,gettheclusterqualityistostudytheexistenceofdarkmatteringalaxyclustersprovideevidence,itsmassdistributionwasthekeytodeterminethecosmologicalparameters.Undernormalcircumstances,theclusterofgalaxiesqualitycanbegetthroughanalysistheX-rayenergyspectrumofthecluster,themainmethodsofXrayradiationenergyspectrumisfitting,getclustersatdifferentradiusinthegroupwithinthemediumtemperature,densitydistribution,finally,qualityofgravitypressurebalancecanbeobtained.

Thisarticleisbasedonthepredecessors'research,basedontheX-rayradiationatdifferentradiusofthePerseusclusterenergyspectrumanalysis,fittingwithbremsstrahlungmechanismsuccessXrayradiationenergyspectrum,thegroupwithinthemediumtemperatureisobtained,densitydistribution,whichlaidafoundationforfurthercalculatingclusterquality.

Keywords:

clusterofgalaxies;X-rays;Energyspectrum;ChandraX-raysatellites.

第1章绪论

§1.1星系团

星系团相互之间有一定力学联系的，成百上千个星系集聚在一起组成的大型星系集团。

其起源于宇宙原初运动的自引力塌缩，是目前宇宙中最大的自引力束缚系统，尺度为Mpc量级（1024cm），质量为10121015M⊙。

（图1.1宇宙中的星系团）

1.1.1星系团的组成物质

主要由星系，团内介质，暗物质组成，可分别通过光学，X射线和引力透镜等方法来观测和测定，其质量之比大约为1:

5:

50。

星系通常由几亿至上万亿颗恒星以及星际物质构成，空间尺度为几千至几十万光年的天体系统。

到目前为止，人们已在宇宙观测到了约1,000亿个星系。

它们中有的离我们较近，可以清楚地观测到它们的结构；有的非常遥远，目前所知最远的星系离我们有将近150亿光年。

每一个星系称为星系团的成员星系，宇宙中至少有85％的星系是各种星系群或星系团的成员，有时候把成员数目较少（100个）的星系团称为星系群。

距离本星系群较近的一个星系团是室女座星系团，包含了超过2,500个星系。

团内介质星系形成之后，不束缚星系的原始的，再释放的气体。

围绕和延伸在星系之间，有着稀薄的等离子，它们被认为具有宇宙纤维状结构，形成比宇宙的平均密度略为密集的区域，这些物质被称为星系际介质（IGM）。

通常是被电离的氢，也就是包含等量的电子和质子的等离子。

IGM的密度被认为是宇宙平均密度的10至100倍（每m3拥有10至100颗氢原子）。

团内介质可由X射线卫星观测到，光度：

1045erg/s；温度：

2107-108K；密度：

10-410-2cm-3。

暗物质指宇宙中那些自身不发射电磁波，也不与电磁波相互作用的物质，由不发光天体，晕物质，非重子中性粒子组成，即存在于宇宙中的不发光物质。

通过引力透镜，宇宙中大尺度结构形成，微波背景辐射等研究表明：

我们目前所认知的宇宙大概只占全宇宙的4%，暗物质占了23%，暗能量占了73%。

宇宙演化形成的最大结构是星系团，按照等级结构形成理论，星系团的大小，质量直接同宇宙学参数（）相关。

据08年国外媒体报道，由多国科学家组成的小组借引力透镜发现迄今为止最大的暗物质结构，太空中横跨幅度为2.7亿光年，呈现十字架形状，是之前发现最大暗物质结构的3倍，也是银河系的2,000倍。

（图1.1.1横跨幅度为2.7亿光年迄今为止最大的暗物质结构[1]）

1.1.2星系团的分类

1.按成员数

目前已发现上万个星系团，平均而言，每个星系团内的成员数约为130个，距离远达70亿光年之外。

在不同星系团内，成员星系的数目相差悬殊，但星系团的线直径最多相差一个数量级，平均直径约为5Mpc。

贫星系团成员星系数较少的小的星系团，如本星系群由银河系以及包括仙女星系在内的50个左右大小不等的星系组成。

富星系团成员星系数较多的大的星系团，如后发星系团有上千个比较明亮的成员星系，如果把一些暗星系也包括进去，总数可能上万。

但像这一类范围大、星系众多的星系团是不多的。

2.按形态

研究发现，椭圆星系的比例与星系团的形态密切相关。

根据不同星系团中各种类型的星系所占比例[2]，大致可将星系团分为规则星系团和不规则星系团两类。

规则星系团成员星系全部或几乎全部都是椭圆星系或透镜型星系，形状倾向于规则和对称，大致具有球对称的外形，又可以叫球状星系团，如后发星系团。

往往有一个星系高度密集的中心区，团内常常包含有几千个成员星系，其中至少有1,000个的绝对星等亮于-16等，近来发现这种星系团往往又是X射线源。

不规则星系团又称疏散星系团，椭圆星系所占的比例很小，星系团一般显示出不规则的形状，它们结构松散，没有一定的形状，也没有明显的中央星系集中区，例如武仙星系团。

范围比较大的不规则星系团可以有几个凝聚中心，在团内形成一种次一级的成群结构。

不规则星系团总是各种类型星系的混合体，其中往往以暗星系占绝对优势，这也是与规则星系团的不同之处。

它们的数目比规则星系团更多，大的不规则星系团的成员星系数多达2,500个以上，小的只包含几十个甚至更少的成员星系，本星系群就属这一类。

另外，就目前所知，只有少数不规则星系团发射X射线。

1.1.3星系团的运动特征

星系团的运动特征可以从两个方面，即从整个团的视向运动和团内各成员星系间的随机性相对运动来认识。

视向运动星系团作为整体的视向速度同星系团的距离满足哈勃定律，即距离越远视向速度越大。

例如较近的室女星系团离我们约19Mpc，视向速度为1,180km·s-1；而长蛇Ⅱ星系团离我们约有1,000Mpc，视向速度则高60,000km·s-1。

（图1.1.3星系团的大尺度移动[3]）

随机性相对运动一个星系团内不同成员星系间的相对运动情况可用速度弥散度来表示。

一般说来，随着星系团范围的扩大和成员数的增加，速度弥散度也就越来越大。

小星系团的速度弥散度约为250～500km·s-1，大星系团的速度弥散度高达2,000km·s-1。

星系团速度散度的研究具有重要的意义：

一方面我们可以根据速度弥散度，利用维里定理来估算团内每个星系的平均质量。

另一方面，研究星系团的内部运动又与探索星系团的稳定性问题密切相关，目前对这一问题有两种相反的看法：

一种认为整个星系团的能量是负的，因而星系一种稳定的天体系统；另一种看法认为，星系团内成员星系的速度弥散度很大，整个系统的能量是正的，因此它们是不稳定的，整个团正处在膨胀，瓦解之中[4]。

§1.2星系团研究的物理现象及其物理意义

星系团形态及特征观测的三种方法：

光学，射电，X射线。

其中我们通过星系际热气体的X射线辐射，可以得到气体温度，密度分布，并依据温度与密度分布能够得出星系团的质量，为研究星系团中暗物质的存在提供证据。

通过X射线观测确定星系团的质量时，需要确定团内介质的温度和密度分布。

而团内介质的温度和密度可以用能谱分析的办法得到。

在本研究中我们分析了Perseus星系团内不同半径处X射线能谱，得到了温度和密度随半径的分布，为进一步计算质量奠定了基础。

（图1.2观测图像：

光学，射电，X射线[5]）

1.2.1星系团中的x射线辐射

X射线是由高速电子撞击原子所产生的电磁波，是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射，其波长约为（20～0.06）×10-8cm之间，由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线，具有很高的穿透本领。

许多星系团是明亮的X射线源，其中X射线辐射是由强引力势阱束缚住的高温气体发出的。

星系团的气体质量可达发光星系总质量的3-5倍[6]。

由于地球大气的阻碍，地面上很难观测到，直到20世纪40年代才开始利用高空气球探明了太阳的X射线辐射，太阳外的第一个X射线源是1962年探明的天蝎X-1。

70年代发射了一系列装备有X射线针孔照相机，掠射X射线望远镜等仪器的天文卫星，尤其是高能天文台上天后，发现的X射线源已超过了1,000多。

研究表明，它们实际上是不同种类的天体，除了太阳外，已证认出的有脉冲，脉冲双星，超新星遗迹，密近双星，X射线双星，X射线脉冲星，X射线新星，塞佛特星系，类星体，星系团，黑洞等。

但还有许多X射线源尚未得到光学认证。

轫致辐射根据经典电动力学，带电粒子作加速或减速运动时必然伴随电磁辐射，当带电粒子的加速度发生改变时会发出电磁辐射，这种辐射称为轫致辐射，加速度改变越大，轫致辐射光子能量越高。

星系团里的轫致辐射机制高温气体里电子和质子在热运动中发生碰撞，质子和电子的复合释放出能量，电子逐步由高态变到低态则产生发射线。

星系团中的X射线辐射产生于轫致辐射。

天文观测中，轫致辐射是很常见的辐射，一些X射线源（如X射线脉冲星，太阳耀斑）的辐射就属于轫致辐射。

轫致辐射的一个重要特征是具有连续谱，其强度在很宽的频谱范围内变化缓慢，所以轫致辐射的X射线谱往往是连续谱。

1.2.2通过X射线观测确定星系团的质量

通过X射线观测我们可以得到星系团内气体的温度和密度分布，那么在球对称和流体静力学平衡方程的假设下，根据流体静力学平衡方程就能够计算星系团的引力质量（Fabricantetal.，1980）：

其中是波尔兹曼常数，是引力常量，是以质子质量为单位的平均分子量。

对于完全电离的气体，在标准的宇宙金属丰度下，=0.6。

此方法得到的是没有投影效应的质量，而引力透镜方法得到的是投影质量[5]。

第2章X射线天文台

X射线天文台于1999年7月由美国NASA的哥伦比亚号航天飞机发射升空，卫星被放置在一个高椭率的椭圆轨道中。

（图2X射线天文台[7]）

§2.1