Physics from low frequency observations of nearby galaxies

Abstract

Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei Möglichkeiten, wie wir die niederfrequente Synchrotronstrahlung nutzen können, um mehr über die physikalischen Prozesse in nahen Galaxien zu erfahren. Das LOw-Frequency ARray (LOFAR) wird in dieser Arbeit als primäres Beobachtungsinstrument eingesetzt, da es über einzigartige Niederfrequenzfähigkeiten, ein grosses Gesichtfeld, hohe Empfindlichkeit und Winkelauflösung verfügt.

Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die Abflachung des Radiospektrums bei niedrigen Frequenzen in Spiralgalaxien. Ein gründliches Verständnis der Radioemission bei niedrigen Frequenzen ist wichtig, wenn wir Radiobeobachtungen nutzen wollen, um die Sternentstehung in Galaxien zu verfolgen. Die beobachteten Objekte sind: die Galaxie M 51 als Ganzes und die Sternentstehungsgebiete (HII-Regionen) der Galaxie M 101. Zur Analyse von M 51 verwende ich Intensitätskarten der Radiokontinuumsstrahlung zwischen 54 und 8350 MHz in acht verschiedenen Frequenzbändern. Beobachtungen mit LOFAR bei 54 MHz waren entscheidend, weil die Abflachung bei höheren Frequenzen nicht vorhanden ist. Ich finde keine räumliche Korrelation zwischen der Abflachung und dem ionisierten interstellaren Medium (ISM), was zu erwarten wäre, wenn die Abflachung durch Absorption des frei-frei Strahlungsprozesses verursacht wird. Stattdessen finde ich eine Korrelation mit dem neutralen ISM, was darauf hindeutet, dass Ionisationsverluste durch kosmische Strahlung (cosmic rays, CR) eine wichtige Rolle spielen, möglicherweise neben inverse Bremsstrahlung. In M 101 analysiere ich nur die riesigen HII-Regionen in vier Frequenzbändern zwischen 54 und 4850 MHz. Ich finde eine signifikante Abflachung bei niedrigen Frequenzen, die mit Modellen der inverse Bremsstrahlung in den Zentren der meisten ausgewählten HII-Regionen angepasst werden kann. Die Abflachung kann nur in einem kleinen Bereich im Zentrum der HII-Region nachgewiesen werden, was hochauflösende Radiobeobachtungen erfordert. Dies sind die ersten Nachweise der niederfrequenten Abflachung in durchschnittlichen Spiralgalaxien.

Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Suche nach annihilierender Dunkler Materie (DM), insbesondere nach schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (weakly interacting massive particles, WIMPs). Ich beobachte sphäroidische Zwerggalaxien (dwarf spheroidal galaxies, dSph), in denen WIMPs annihilieren sollten und die dabei entstehenden Teilchen Synchrotronstrahlung im Radioband emittieren, wenn in dSph ausreichend starke Magnetfelder existieren. Da kein Signal entdeckt wird, verwende ich das Wissen über die CR-Ausbreitung und die erwartete Synchrotronstrahlung, um den WIMP-Annihilationsquerschnitt zu begrenzen. Ich verwende LOFAR-Beobachtungen von sechs dSph bei 150 MHz. Da das Magnetfeld und der Diffusionskoeffizient in dSph unsicher sind, konstruiere ich drei Szenarien mit unterschiedlichen Werten dieser Parameter: ein optimistisches, ein mittleres und ein pessimistisches Szenario. Die besten Grenzen des mittleren Szenarios schließen den thermischen Reliktquerschnitt von WIMPs (<σv> ≈ 2,2 · 10^-26 cm^3 s^-1) unterhalb von 20 GeV, und die besten Grenzwerte des optimistischen Szenarios schließen thermische WIMPs unterhalb von 70 GeV aus. Meine mittleren Grenzen sind konkurrenzfähig im Vergleich zu den Fermi-LAT-Grenzen aus γ-Strahlenbeobachtungen mehrerer Zwerggalaxien. In diesem Teil zeige ich, wie gut niederfrequente Radiobeobachtungen die DM-Eigenschaften einschränken und wie Radiosuchen andere DM-Suchen ergänzen können.

Zusammenfassend kann man sagen, dass ich niederfrequente Radiobeobachtungen verwende, um Ergebnisse zu erzielen, die von der grundlegenden Frage der Dunklen Materie bis hin zu der sehr spezifischen Frage der Sternentstehung in Galaxien reichen. Die Synchrotronstrahlung von CR steht im Mittelpunkt dieser Arbeit, und ich untersuche Abweichungen davon, wie sie bekanntermaßen in Galaxien erzeugt wird. Die Beobachtung von nahe gelegenen Galaxien bedeutet, dass ich mit einer hohen physikalischen Auflösung beobachten kann und ermöglicht es, bisher unbekannte Effekte zu unterscheiden und zu entdecken. In Zukunft werden das LOFAR2.0-Update, einschließlich eines umfangreichen DM-Suchprogramms, und neue theoretische Modelle zu einem besseren Verständnis von CR in Galaxien führen, unabhängig davon, ob sie bei der Sternentstehung oder bei der DM-Annihilation entstehen.

This thesis focuses on two ways we can use the low-frequency synchrotron signal to learn about physical processes in nearby galaxies. The LOw-Frequency ARray (LOFAR) is used as the primary observational tool in this thesis, because of its unique low-frequency capabilities, wide field of view, high sensitivity and angular resolution.

The first part of this thesis studies the flattening of the radio spectrum at low frequencies in spiral galaxies. A thorough understating of radio emission at low frequencies is important if we want to use radio observations to trace star formation in galaxies. I have two observational targets: the galaxy M 51 as a whole and the star-forming (HII) regions of the galaxy M 101. To analyse M 51, I use radio continuum intensity maps between 54 and 8350 MHz at eight different frequency bands. LOFAR observations at 54 MHz were crucial because the flattening is not present at higher frequencies. I do not find any spatial correlation between the flattening and ionised interstellar medium (ISM), which is expected if the flattening is caused by free-free absorption. Instead, I find a correlation with the neutral ISM, which suggests that cosmic ray (CR) ionisation losses play an important role, possibly alongside free--free absorption. In M 101, I analyse only the giant HII regions at four frequency bands between 54 and 4850 MHz. I find a significant low-frequency flattening that can be fitted with free-free absorption models at the centres of most selected HII regions. The flattening can be detected only in a small area at the centre of the HII region, which requires high resolution radio observations. These are the first detections of the low-frequency flattening in average spiral galaxies.

The second part of this thesis is the search for annihilating dark matter (DM), specifically weakly interacting massive particles (WIMPs). I observe dwarf spheroidal galaxies (dSph) in which WIMPs should annihilate and the particles produced in this annihilation emit synchrotron radiation in the radio band, if strong enough magnetic fields exist in dSph. Since no signal is detected, I use the knowledge of CR propagation and expected synchrotron emission to put limits on the WIMP annihilation cross-section. I use LOFAR observations of six dSph at 150\,MHz. Because the magnetic field and diffusion coefficient in dSph is uncertain, I construct three scenarios with different values of those parameters: optimistic, intermediate, and pessimistic scenario. The best limits from the intermediate scenario exclude the thermal relic cross section of WIMPs (<σv> ≈ 2,2 · 10^-26 cm^3 s^-1) below 20 GeV, and the best limits from the optimistic scenario exclude thermal WIMPs below 70 GeV. My intermediate limits are competitive compared to the Fermi-LAT limits from γ-ray observations of multiple dwarf galaxies. In this part, I show the power of low frequency radio observations in constraining DM properties and how radio searches can complement other DM searches.

In summary, I use low frequency radio observations to produce results spanning from the fundamental question of dark matter to the highly specific question of star formation in galaxies. Synchrotron emission by CRs is at the centre of this work and I explore deviations from how it is known to be produced in galaxies. Observing nearby galaxies means that I can observe with a high physical resolution and makes it possible to distinguish and detect previously unknown effects. In the future, the LOFAR2.0 update, including a large DM search program, and new theoretical models will lead to better understanding of CRs in galaxies, whether they are produced in star formation or DM annihilation.