用气体称量星系团 I. 关于计算流体静力学质量偏差的方法

从X射线和Sunyaev-Zel'dovich观测得到的星系团质量估计假设团内气体与其引力势处于流体静力学平衡。然而，由于星系团是动力学活跃的天体，其动力学状态可能显著偏离平衡构型，因此偏离流体静力学平衡假设是星系团宇宙学中最大的系统不确定性来源之一。文献中分别有两种基于欧拉方程和修正的金斯方程计算流体静力学质量偏差的方法，并且关于这两种方法的有效性存在一些混淆。“金斯”一词用词不当，错误地暗示气体是无碰撞的。为避免进一步混淆，我们分别将这些方法称为“求和”法和“平均”法。在这项工作中，我们通过证明第二种方法中使用的方程可以从欧拉方程的空间平均推导出来，表明这两种计算流体静力学质量偏差的方法是等价的。具体地，我们在数学上识别了这两种方法中各个项的对应关系，并利用星系团形成的流体动力学模拟表明这些对应关系在百分之几的精度内有效。此外，我们计算了与气体加速度相关的质量偏差，并表明其贡献在星系团内部的维里化区域很小，但在大质量星系团的外围区域（物质正在被积极吸积）变得不可忽略。我们讨论了对理解流体静力学质量偏差起源以及利用流体动力学模拟和观测对其进行表征的意义。