团簇内等离子体的天体物理学

[节选] 自 1971 年以来，对数千个星系团的 X 射线观测揭示了填充由暗物质（DM）晕提供的深引力势阱中的大量热重子，这些暗物质晕的尺度达数百万光年，质量约为 $10^{15}$ $M_\odot$。在温度 $T \sim 10^8$ K、平均密度 $n \sim 1$ 粒子每升的条件下，这些重子的总质量约为 $10^{14}$ $M_\odot$。它们与中和电子一起，构成了宇宙中最好的质子-电子等离子体（团簇内等离子体，ICP）。ICP 的一个关键物理特征在于其良好的局部热平衡，以及其在暗物质阱中受熵调制整体流体静力学条件。后者在团簇中心由初始晕坍缩建立，并在不断扩张的团簇边界处，通过星系际气体流入暗物质阱的超音速流中的驻立激波而逐渐增加。我们回顾了这些基于熵的模型，并讨论了它们关于 ICP 在 X 射线和微波波段的观测量的结果与预测。这些结果为厘清叠加在一般平衡之上的诸多附加且引人入胜的物理过程提供了基线。我们涵盖：由辐射冷却导致的中心熵侵蚀与主要由活动星系核和并合导致的间歇性能量输入之间的对比；与激波减弱及穿过位力边界的流入减少相关的外部湍流支撑，导致熵产生减少；典型团簇中从高熵水平到低熵水平的发展；由于下落星系群的深度撞击或与相当伴星团团的碰撞导致的平衡扰动乃至彻底破坏；在此类事件中加速的电子的相对论性能量分布，通过同步辐射产生延展的射电辐射，并为 ICP 提供非热压支撑。