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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-89145
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/8914/


Origin and Effects of the Non-Thermal Components in Large-Scale Structures of the Universe

Ursprung und Effekte von nicht-thermischen Komponenten in großeskaligen Strukturen des Universums

Wittor, Denis

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Galaxienhaufen , intracluster medium , Turbulenz , Magnetfeld , kosmische Strahlung
Freie Schlagwörter (Englisch): galaxy cluster , intracluster medium , turbulence , magnetic fields , cosmic rays
Basisklassifikation: 39.41
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Brüggen, Marcus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.12.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 11.01.2018
Kurzfassung auf Englisch: Galaxy clusters are assemblies of a few hundred to thousands of galaxies. Furthermore they consists of dark matter and a hot, dilute plasma called the intracluster medium (ICM). The ICM hosts non-thermal phenomena in form of cosmic rays, magnetic fields and turbulence. Even though, several observations and simulations are devoted to their study, the non-thermal components are a complex matter as they influence each other, and still a lot of unsolved problems remain.

In the scope of this thesis, the Lagrangian tracer code CRaTer is developed. CRaTer is a postprocessing tool that injects tracer particles on top of grid codes and advects them passively with the underlying fluid flow. This novel approach allows us to keep the numerical advantages of grid codes while studying the Lagrangian properties of the non-thermal components. We use CRaTer to analyse the evolution of the non-thermal components in several cosmological simulations produced with the mesh refinement code ENZO.

CRaTer is used to follow the propagation of cosmic rays in the ICM and to tackle the problem of the unobserved gamma-rays, an unavoidable by-product of the acceleration of cosmic-ray protons by large-scale shocks. We find that using the shock obliquity as an additional parameter for computing the shock acceleration efficiencies releases some of the tensions but it does not solve the problem completely. Furthermore, we estimate that on average the shock acceleration efficiencies for cosmic-ray protons must be smaller than 10^−3, to explain the missing gamma-rays.

With the help of CRaTer, we provide new insights on the observed polarized emission of radio relics. We estimate that most of the depolarization at high frequencies happens in the ICM between the source and the observer, while at low frequencies the depolarization happens to similar amounts at the source and in the intermediate space. Furthermore, our findings suggest that radio observations are typically biased towards higher Mach numbers and therefore overestimate the shock strength. This can possibly explain the discrepancy in the Mach number estimates from radio and X-ray observations.

Finally, CRaTer is used to follow the evolution of enstrophy within the ICM. We discover that the amplification of enstrophy is mostly due to compressive motions. The amplification by stretching motions is overwhelmed by strong dissipation and enstrophy decays fast. Yet, a few percent of the corresponding dissipation of the turbulent kinetic energy flux is enough to produce magnetic fields that agree with current estimates from radio observations.
Kurzfassung auf Deutsch: Galaxienhaufen, Anhäufungen von hunderten bis zu tausenden von Galaxien, bestehen nicht nur aus Galaxien selbst, sondern auch aus dunkler Materie und einem heißen Plasma, dem intracluster Medium (ICM). Beobachtungen beweisen die Existenz nicht-thermische Phänomene in Form von: kosmischer Strahlung, Magnetfeldern und Turbulenz im ICM. Obwohl zahlreiche Beobachtung und Simulationen benutzt werden, um diese nicht-thermischen Komponenten zu studieren, gibt es noch zahlreiche ungelöste Probleme. Das Studium der nicht-thermischen Komponenten ist eine komplexe Angelegenheit, da sich die einzelnen Komponenten gegenseitig beeinflussen.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde der lagrange’sche Teilchen Code CRaTer geschrieben. CRaTer ist ein Werkzeug, das mit passiven Testteilchen die Daten von Gittercodes analysiert. Diese originelle Herangehensweise erlaubt es, die numerischen Vorteile von Gittercodes zu bewahren und gleichzeitig lagrange’sche Informationen über die nicht-thermischen Komponenten zu sammeln. Wir benutzen CRaTer, um verschiedene kosmologische Simulation, die mit gitter-basierten Code ENZO produziert wurden, zu analysieren.

Mit CRaTer verfolgen wir die Ausbreitung kosmischer Strahlung im ICM und suchen Erklärungen für die bisher unbeobachtete Gamma-Strahlung, ein Nebenprodukt der Beschleunigung von Protonen durch groß-skalige Stoßwellen. Wenn die Effizienz der Beschleunigung zusätzlich von der Obliquität abhängt, verringert sich die beobachtete Gamma-Emission, jedoch nicht genug, um nicht mehr detektiert zu werden. Um die fehlende Gamma-Strahlung zu erklären, müssen die Effizienzen durchschnittlich kleiner als 10^−3 sein.

Wir untersuchen mit CRaTer die Polarisation von Radio Relikten. Bei hohen Frequenzen entsteht die beobachtete Depolarisation hauptsächlichen zwischen der Quelle und dem Beobachter. Bei niedrigen Frequenzen jedoch kommt zu gleichermaßen zur Depolarisation an der Quelle und im ICM zwischen Beobachter und Quelle. Außerdem zeigen wir, dass Radio Beobachtungen die höheren Mach Zahlen stärker gewichten. Dies könnte die Diskrepanz zwischen Radio- und Röntgenbeobachtung bei der Bestimmung der Stoßwellenstärke erklären.

Zuletzt folgen wir der Entwicklung der Enstrophy im ICM. Wir beobachten, dass hauptsächlich kompressive Bewegungen für die Verstärkung der Enstrophy verantwortlich sind. Die Amplifikation durch sich ausdehnende Bewegungen wird durch eine starke Dissipation unterdrückt. Jedoch reicht ein geringer Anteil der Dissipation des turbulenten, kinetischen Energie Flusses, um die Magnetfeldsträrken im Einklang mit Beobachtungen zu erzeugen.

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