クラスター内媒体

天文学において、銀河団内物質( ICM ) とは、銀河団に浸透する過熱プラズマのことである。このガスは主にイオン化した水素とヘリウムで構成され、銀河団内のバリオン物質の大部分を占める。ICM は 10 から 100メガケルビン程度の温度に加熱され、強いX 線放射を放射する。

ICM は主に通常の重粒子、主に電離した水素とヘリウムで構成されています。^{[1]このプラズマには、}鉄などの重い元素が豊富に含まれています。天文学では金属量として知られる、水素に対する重い元素の平均量は、太陽の値の 3 分の 1 から半分の範囲です。^{[1] [2]} ICM の化学組成を半径の関数として研究すると、銀河団の中心核は、より大きな半径よりも金属に富んでいることがわかりました。^{[2]一部の銀河団（}ケンタウルス座銀河団など）では、ガスの金属量が太陽よりも高くなることがあります。^[3]銀河団の重力場により、超新星から放出された金属に富んだガスは、 ICM の一部として銀河団に重力で束縛されたままになります。 ^[2]宇宙の進化の異なる時代を観察することに相当する赤方偏移の変化を観察することで、ICMは銀河における元素生成の歴史的記録を提供することができます。 ^[4]

銀河団の質量のおよそ 15% は ICM に存在します。恒星と銀河は総質量の約 5% を占めるだけです。銀河団の質量のほとんどは、バリオン物質ではなく暗黒物質で構成されていると理論づけられています。おとめ座銀河団の場合、ICM にはおよそ 3 × 10 ¹⁴ M _☉が含まれており、銀河団の総質量は 1.2 × 10 ¹⁵ M _☉と推定されています。^{[1] [5]}

ICM は全体としてクラスターの重粒子の大部分を占めているが、密度はそれほど高くなく、通常は 1 立方センチメートルあたり 10 ⁻³粒子である。粒子の平均自由行程はおよそ 10 ¹⁶ m、つまり約 1 光年である。ICM の密度はクラスターの中心に向かって上昇し、比較的強いピークを迎える。さらに、ICM の温度は中心領域で外側の値の 1/2 または 1/3 に低下するのが一般的である。プラズマの密度が臨界値に達すると、イオン間の十分な相互作用により、X 線放射による冷却が確実に行われる。^[6]

ICMは非常に高温であるため、主に制動放射線と重元素からのX線輝線によってX線放射を放射します。 ^[1]これらのX線はX線望遠鏡を使用して観測することができ、このデータを分析することで、プラズマの温度、密度、金属量などの物理的状態を決定することができます。

銀河団内の温度と密度のプロファイルを測定することで、静水圧平衡モデルによるICMの質量分布プロファイルを決定することができます。これらの方法から決定された質量分布は、観測された光質量をはるかに超える質量を明らかにしており、したがって銀河団内の暗黒物質の強力な指標です。^[7]

低エネルギー光子がICM内の相対論的電子と相互作用することで逆コンプトン散乱が起こり、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）のスペクトルに歪みが生じます。これはスニヤエフ・ゼルドビッチ効果として知られています。CMBのこの温度歪みは、南極望遠鏡などの望遠鏡で高赤方偏移の高密度銀河団を検出するために使用できます。^[8]

2022年12月、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は銀河間物質から発せられる微弱な光を研究していると報告されている。^[9] 2018年の研究では、これが「暗黒物質の正確な発光トレーサー」であることが判明した。^[10]

冷却時間がシステムの年齢よりも短いクラスター領域のプラズマは、放射が密度の2乗に比例する強いX線放射によって冷却されるはずです。ICMの密度はクラスターの中心に向かって最も高いため、放射冷却時間が大幅に短縮されます。^[11]中心の冷却されたガスはもはや外部の高温ガスの重量を支えることができず、圧力勾配によって冷却流と呼ばれる現象が発生し、外部領域からの高温ガスがクラスターの中心に向かってゆっくりと流れます。この流入により、低温ガス領域と新しい星形成領域が発生します。^{[12]しかし最近、}チャンドラX線観測衛星などの新しいX線望遠鏡の打ち上げにより、より空間分解能の高い銀河団の画像が撮影されました。これらの新しい画像は、歴史的に予測されていた程度の新しい星形成の兆候を示しておらず、中心のICMの冷却を防ぐメカニズムの研究を促進しています。^[11]

中心のICMが冷却するのを妨げるメカニズムについては、2つの一般的な説明があります。活動銀河核からの相対論的プラズマジェットの注入によるフィードバック^[13]と、サブクラスターとの合体中のICMプラズマのスロッシング^{[14]です。 [15]活動銀河核からの物質の相対論的ジェットは}、チャンドラX線観測衛星などの高角度分解能の望遠鏡で撮影された画像で見ることができます。

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