星系团内介质中气体运动的数值模拟

Residual gas motions in the intra-cluster medium will provide non-thermal pressure support in against to the gravitational potential and bias the hydrostatic measurements of mass profiles of clusters, one of the most widely used methods for measuring cluster masses.This bias will confine the power of galaxy clusters X-ray observations on constraining cosmologiacl parameters. Cosmological hydrodynamic simulation are often used to study the gas motions induced hydrostatic mass bias. However, the embeded artifical visconcity and numerical dissipation in simulation codes will introduce significant uncertainity to the results and hurt their reliability..In this project, we will examine the effects of artifical visconcity and numerical dissipation on simulation of complex flows and then check the superiority of WIGEON code, which is based on high order numerical scheme WENO, on tackle those simulation. Moreover, we will update the embeded WENO scheme in WIGEON to suppress numerical error in galaxy cluster simulation .We utilize the upated WIGEON code to perfom high-resolution cosmological simulation and re-simulation, providing more robust and reliable estimation on the hydrostatic mass bias in galaxies cluster. Evolution of shocks, turbulence and other complex flow pattern in the cluster formation will be stuied. The connection between shocks and observed radio relics around galaxies cluster will be explored.The effect of radiavtive cooling on gas motion and hence hydrostastic mass bias will be investigated.

ICM中气体的运动,会提供非热力学压强，给基于流体静力学平衡(HSE)假设，来估计星系团质量的方法带来偏差，将制约利用星系团X-ray观测来限制宇宙学参数的能力。宇宙学数值模拟常被用来研究气体运动造成的HSE质量估计偏差，但数值方法中含有的人工粘性和数值耗散项本身会带来明显的不确定性，降低结果的可靠性。本项目将研究人工黏性和数值耗散在模拟复杂流动时的影响，并将检验基于高阶格式WENO的WIGEON程序处理复杂流动的优越性。改进WIGEON程序中WENO格式，进一步抑制数值误差对星系团模拟影响。使用WIGEON运行高分辨率宇宙学N体/流体数值模拟和星系团的re-simulation，对ICM气体运动导致的HSE质量估计偏差提供更为稳定可靠的评估。追踪星系团形成过程中激波、湍流等复杂流动的演化，考察其与星系团周围区域观测到的射电遗迹之间联系。研究气体冷却对ICM中气体运动的影响

通过宇宙N体/流体数值模拟，对模拟样本中星系际物质的运动进行详细分析。对比确定了人工粘性与数值耗散等数值因素对于宇宙流体的运动有明显影响，以及高精度低耗散数值格式的优异性。研究了LCDM宇宙中，空洞(voids)、薄盘状(sheets)、纤维状(filaments)，星系团(clusters)等不同形态大尺度结构区域内的重子物质速度，特别是涡旋速度的增长，功率谱演化，与结构形成过程中激波、湍流等复杂流动的关系。以及湍流运动造成的湍流压相对于热力学压强的强度，发现其与重子物质比偏离宇宙学平均展现一定正相关。项目研究发现宇宙演化过程中广泛出现的激波会在薄盘状、纤维状结构附近显著提高流体斜压性，从而快速激发涡旋运动的发展。与此相对应，速度功率谱表明重子物质涡旋运动存在超音速与后超音速两个不同特征区间。在此基础上，借助重子物质涡旋运动的速度结构函数分析，根据She-Leveque湍流模型，得到了涡旋运动的湍流所对应的分形维数，与纤维状大尺度结构的密度分布分形维数接近。这些结果说明，重子物质的涡旋运动与纤维状大尺度结构存在密切联系。在受资助期间，相关研究结果在ApJ, MNRAS等国际主流天文期刊共发表3篇论文，其中项目主持人为第一作者2篇(ApJ)，第二作者1篇(MNRAS)，另外还有一项研究结果正在组织成文,待投稿。