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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94994
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9499/


Diffuse radion sources in non-merging galaxy clusters

Ausgedehnte Radioquellen in nicht-verschmelzen Galaxienhaufen

Savini, Federica

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Freie Schlagwörter (Englisch): Radioastronony , Galaxy clusters
Basisklassifikation: 39.13 , 39.22 , 39.41
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Brüggen, Marcus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.11.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 21.12.2018
Kurzfassung auf Englisch: Galaxy clusters are large-scale systems where hundreds to thousands of galaxies, hot magnetized gas (known as intracluster medium; ICM), and Dark Matter co-exist. Their formation corresponds to the collapse of the largest gravitationally-bound overdensities in the initial density field in the universe. A number of clusters host radio diffuse emission that is not associated with single active galaxies, but is instead connected to the ICM.
These synchrotron sources indicate the presence of cosmic rays and magnetic fields.
The main focus of this thesis is to study the formation and properties of radio diffuse emission located at the center of galaxy clusters. Of particular interest are non-merging clusters where particle acceleration mechanisms can be studied in absence of a major merger. Depending on their size, centrally-located radio diffuse sources are commonly
classified as giant radio halos or mini halos. According to the current theoretical picture, giant radio halos form via the re-acceleration of electrons in the ICM via turbulence injected during cluster mergers. Mini halos, instead, are usually found at the center of cool-core clusters where only minor or off-axis mergers may have taken place. The origin of mini halos is still debated: electrons can be re-accelerated by turbulence induced by gas sloshing of the dense cores powered by minor mergers, or fresh electrons can be produced by collisions between cosmic ray protons and thermal ions. Low-frequency radio observations provide new insights into the origin of known diffuse radio sources, and have the potential to discover new sources.
Using the LOw Frequency ARray (LOFAR), I have studied a sample of nine mass-selected clusters that show no signs of major mergers. Among the results, I have discovered new diffuse radio sources in the form of halos and steep-spectrum emission around mini halos in two cool-core clusters. The latter indicates that the sloshing of a dense cool core can trigger particle acceleration on large scales, and is particularly relevant for future studies. In case of non-detection of radio diffuse sources, I showed that limits on the radio power can be used to constrain the energy budget of cosmic ray protons in the ICM with results that are competitive with the deepest limits from the gamma-ray satellite Fermi.
In addition, I have discovered a radio galaxy embedded in steep diffuse emission located at the center of a galaxy group. The radio spectrum suggests that the radio source is evolved and shows the potential of studying old radio plasma and fading sources with low-frequency radio observations.
Kurzfassung auf Deutsch: Galaxienhaufen (Cluster) sind großräumige Systeme, in denen hunderte bis tausende von Galaxien, sowie heißes, magnetisiertes Gas (bekannt als Intracluster Medium; ICM) und Dunkle Materie koexistieren. Sie bilden sich durch Kollaps von den größten gravitationsbedingten Überdichten im ursprünglichen Dichtefeld des Universums. Eine Reihe von Galaxienhaufen beherbergen diffuse Radioquellen, die nicht von aktiven Galaxien herrührt sondern mit dem ICM verbunden ist. Diese Synchrotronquellen deuten auf das Vorhandensein einer nicht-thermischen Komponente hin, die aus kosmischer Strahlung und magnetischen Feldern besteht.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der Entstehung und der Eigen-
schaften von Radiostrahlung im Zentrum von Galaxienhaufen. Abhängig von ihrer Größe, werden zentrale, diffuse Radioquellen üblicherweise als riesige Radio-Halos oder Mini-Halos klassifiziert. Nach aktuellen theoretischen Erkenntnissen bilden sich riesige Radio-Halos durch die Wiederbeschleunigung von Elektronen durch Turbulenz, die während der Verschmelzung von Galaxienhaufen entsteht. Mini-Halos hingegen befinden sich normalerweise im Zentrum von sogenannten cool-core Clustern, in denen nur geringfügige Verschmelzungen mit anderen Galaxienhaufen stattgefunden haben können. Die führende Theorie zu der Entstehung der relativistischen Elektronen, die die Mini-Halos verursachen, besagt, dass Elektronen durch Turbulenz angetrieben werden. Die Turbulenz entsteht wiederum durch Gasbewegungen (sloshing) der dichten Kerne der Galaxienhaufen. Laut einer konkurrierenden Theorie werden frische Elektronen durch Kollisionen zwischen Protonen der kosmischen Strahlung und thermischen Ionen des ICM erzeugt. Beobachtungen von niedrigfrequenten Radiowellen liefern neue Einblicke in dieses Phänomen. Von besonderem Interesse sind hier insbesondere Galaxienhaufen, die sich nicht in Kollision mit anderen Galaxienhaufen befinden. Im Zuge dieser Arbeit habe ich fünf erfolgreiche Beobachtungsanträge geschrieben. Die Ergebnisse sind in drei Erstautorveröffentlichungen dargestellt.
Ich habe eine Stichprobe von neun massenselektierten Galaxienhaufen untersucht,
die keine Anzeichen für größere Kollisionen aufweisen. So habe ich neue diffuse Radioquellen in Form von Halos und Steilspektrums-Emission um Mini-Halos entdeckt. Letzteres deutet darauf hin, dass das Sloshing im kühlen Zentrum eines Galaxienhaufens die Teilchenbeschleunigung auf großen Skalen auslösen kann. Dieses Resultat ist besonders relevant für zukünftige Studien. Grenzwerte für die Intensität der Radiostrahlung können verwendet werden, um das Energiebudget der Protonen der kosmischen Strahlung im ICM einzuschränken. Diese Ergebnisse konkurrieren mit den niedrigsten Grenzwerten, die mit dem Gammastrahlen Satelliten Fermi gewonnen worden sind. Schließlich habe ich eine Radiogalaxie entdeckt, die in steile, diffuse Radioemission eingebettet ist und die sich im Zentrum einer Galaxiengruppe befindet. Das Radiospektrum legt nahe, dass die Radioquelle in einem sehr entwickelten Zustand ist, und zeigt das Potential von niedrig-frequenten Radiobeobachtungen zur Untersuchung von altem Radioplasma.

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