星系团X射线光谱独立拟合技术及其应用

Galaxy clusters are the largest gravitational bounded system in the Universe. Studies based on clusters play an important role in understanding the physics of large scale structure, galaxy formation, and in constraining cosmology parameters. The X-ray band (0.5-10 keV) is a unique observational window, since it allows to study their hot intracluster medium (ICM) which constitutes the large majority of the cluster baryons and it reflects the cluster dynamical equilibrium in its morphology and thermodynamical properties. .Future X-ray surveys are expected to discover hundred thousands of new groups and clusters. Their main problem is the measurement of redshifts. For galaxy clusters, traditional spectroscopic follow-up in the optical band is very time-consuming. Thanks to the identification of the Iron emission line, we can measure the X-ray redshift directly from the X-ray data. We develop an independent spectrum fitting technique with Chandra spectrum and simulated WFXT data. Due to the discrepansy between the optical redshifts of member galaxies and the X-ray redshift of ICM gas in some clusters, the dynamical structure of galaxy clusters can be described with more details. That will be helpful to understand evolution of merging clusters and large scale structures. What is more, with X-ray redshift measurements at different radii of clusters, it is possible to detect the gravitational redshift as a prediction of general relativity. Then the universality of equivalence principle can be tested on a quite large scale. This work will have significant value to the next generation X-ray survey carried by the eROSITA satellite.

星系团是宇宙中的最大的引力束缚系统，在大尺度结构、星系演化和宇宙学参数限制等许多领域都具有承上启下的重要作用。铁发射线是其X 射线辐射中最显著的普遍特征。现有的X射线光谱拟合需要事先由光学测量确定红移值。未来的X 射线巡天将发现众多新星系团。如果能从X 射线观测数据直接得到红移，将节省大量的光学光谱观测时间。我们利用Chandra卫星已有的观测数据发展了一套X射线光谱的独立拟合技术，能够不依赖光学观测直接确定红移。根据成员星系的光学红移和星系团气体X 射线红移之间的系统偏差，还可以研究星系团中的视向速度分布，重建星系团内的动力学结构和状态，通过对星系团内气体不同半径处的红移测量还可能在大尺度上验证等效原理所预言的引力红移。这项工作对将由eROSITA开启的下一代X 射线巡天项目具有重要的应用价值。

长期以来，星系团的动力学状态研究是通过其星系空间分布、 X射线气体形态、引力透镜质量分布等方法进行的。这些方法给出的都是物质的空间投影分布，对物质的径向运动限制有限。.在本项目执行过程中，我们提出了一套完整的根据星系团X射线光谱绘制红移分布图的方法，并用于估计团内的物质径向运动。这套方法已在子弹星系团等多个真实星系团中进行了系统测试，不仅得到了和已知星系团状态相一致的结论，还给出了可能的团块运动区域和方向。.为了对X射线的探测结果进行验证，我们基于统计学中的聚类分析理论提出了一个全新的光学子结构探测方法，可以精确给出星系团内沉降组分的成员星系。这个方法用大尺度宇宙学数值模拟的数据进行了系统测试。与现有的其他子结构探测方法相比在便捷性、易用性方面都有明显优势。.我们将来自两个波段的独立方法进行了交叉检验，得到了自洽的结论。这两个方法的联合使用可以精确限制星系团内各组分的几何与物理特征，从而推测并合过程乃至历史。为星系团的动力学研究给出了全新的方向和思路。目前已在星系团A85中进行了成功的应用，并将推广到更多更复杂的系统当中。