Diffuse radio emission in merging galaxy clusters

Abstract

Galaxy clusters, located at the nodes of the large-scale filaments of the cosmic web, are collections of hundreds to thousands of galaxies, surrounded by dark matter halos. Dominating the baryonic mass content of clusters, however, is the hot, magnetised intracluster medium (ICM) which fills the cluster volume. When clusters collide and merge together, enormous amounts of energy are injected into the ICM, driving a multitude of physical processes. A fraction of the energy dissipated goes into the acceleration of cosmic rays to relativistic speeds via cluster-scale magnetohydrodynamical turbulence and shock wave propagation. In the presence of 𝜇G magnetic fields, the cosmic rays accelerated in this way produce synchrotron radiation, observed as diffuse radio emission. Cluster scale, merger-induced, diffuse radio emission is broadly split into two categories: giant radio halos, generated by turbulence, and radio relics, which trace merger shockwaves. In this thesis I focus primarily on the properties of radio relics. Located in the peripheries of some merging clusters, radio relics are arc-like radio structures of the order of 1 Mpc in length. The acceleration mechanism which produces radio relics, diffusive shock acceleration (DSA), is well-established. However, the generation of radio relics is still not fully understood, and there remain open questions. Namely, can DSA of electrons from the thermal pool fully explain the properties of radio relics, or is re acceleration of a population of mildly relativistic cosmic ray electrons required? If re-acceleration is required, where does such a population come from? Is DSA the only acceleration mechanism involved in relic generation? Using multi-wavelength observations, I investigated the diametrically opposed radio relics in the merging cluster PSZ2 G096.88+24.18. Amongst other results, I found that one of the relics showed evidence of re-acceleration of fossil electrons produced by previous AGN activity, as well as turbulence in the downstream region of the relic. Additionally, using the 35 relics contained in the LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) data release 2 images of galaxy clusters with Planck-derived masses, I investigated the statistical properties and scaling relations of relics at low radio frequencies. I found that the shock surface increases as it travels outwards, and tentative evidence for an increase in radio relic power at higher cluster masses. My results also suggested that the occurrence of radio relics is higher than previously reported, and that the width of radio relics is systematically higher than expectations for acceleration at a shock front with no other source of acceleration.

Galaxienhaufen befinden sich an den Knotenpunkten der großskaligen Filamente des kosmischen Netzes und sind Ansammlungen von Hunderten bis Tausenden von Galaxien, die von Halos aus dunkler Materie umgeben sind. Den baryonischen Massengehalt von Galaxienhaufen dominiert jedoch das heiße, magnetisierte Intracluster-Medium (ICM), das das Haufenvolumen ausfüllt. Wenn Galaxienhaufen kollidieren und miteinander verschmelzen, werden enorme Energiemengen in das ICM eingespeist, was eine Vielzahl physikalischer Prozesse antreibt. Ein Teil der verlorenen Gravitationsenergie fließt in die Beschleunigung der kosmischen Strahlung auf relativistische Geschwindigkeiten durch magnetohydrodynamische Turbulenzen auf Galaxienhaufen-Skalen und die Ausbreitung von Stoßwellen. Die so beschleunigte kosmische Strahlung erzeugt in Gegenwart von 𝜇G-Magnetfeldern Synchrotronstrahlung, die als diffuse Radioemission beobachtet wird. Die durch Verschmelzungen verursachte großskalige diffuse Radioemission wird grob in zwei Kategorien unterteilt: Radiohalos, die durch Turbulenzen erzeugt werden, und Radiorelikte, die auf Schockwellen der Verschmelzung zurückgehen. In dieser Dissertation konzentriere ich mich hauptsächlich auf die Eigenschaften von Radiorelikten. Radiorelikte befinden sich in der Peripherie einiger verschmelzender Cluster und sind bogenförmige Radiostrukturen mit einer Länge in der Größenordnung von 1 Mpc. Der Beschleunigungsmechanismus, welcher Radiorelikte erzeugt, die diffusive Stoßbeschleunigung (DSA), ist weithin akzeptiert. Allerdings ist die Entstehung von Radiorelikten noch nicht vollständig geklärt und es bleiben offene Fragen bestehen. Kann die DSA von Elektronen aus dem thermischen Plasma die Eigenschaften von Radiorelikten vollständig erklären, oder ist eine erneute Beschleunigung einer Population leicht relativistischer Elektronen der kosmischen Strahlung erforderlich? Wenn eine Wiederbeschleunigung erforderlich ist, woher kommt dann eine solche Population? Ist DSA der einzige Beschleunigungsmechanismus, der an der Reliktgenerierung beteiligt ist? Mithilfe von Multiwellenlängenbeobachtungen untersuchte ich die diametral entgegengesetzten Radiorelikte im verschmelzenden Cluster PSZ2 G096.88+24.18. Unter anderem fand ich heraus, dass eines der Relikte Hinweise auf eine Wiederbeschleunigung fossiler Elektronen, die durch vorherige AGN-Aktivität erzeugt wurden, sowie Turbulenzen im stromabwärts gelegenen Bereich des Relikts aufwies. Anhand der 35 Relikte, die in den Bildern des Data Releases 2 des LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS)-Daten enthalten sind, untersuchte ich die statistischen Eigenschaften und Skalierungsbeziehungen von Relikten bei niedrigen Radiofrequenzen. Ich fand heraus, dass die Schockoberfläche zunimmt, wenn sie sich nach außen bewegt, und fand einen ersten Hinweis auf eine Zunahme der Radioreliktleistung bei höheren Haufenmassen. Meine Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass das Vorkommen von Radiorelikten höher ist als bisher berichtet und dass die Breite der Radiorelikte systematisch größer ist als die Erwartungen für eine Beschleunigung an einer Stoßfront ohne andere Beschleunigungsquelle.