Galaxy Clusters in the Ultra-Low Radio-Frequency Era: A LOFAR LBA view From Radio Galaxies to Diffuse Emission

Abstract

Galaxienhaufen entstehen an den Knotenpunkten kosmischer filamente durch den gravitativen Kollaps anfänglicher Dichtefluktuationen im frühen Universum sowie durch die anschließende Akkretion von Gas und Substrukturen.

Während dieses Prozesses wird eine große Menge Energie in Form von Schockwellen und Turbulenzen freigesetzt, die wiederum das Magnetfeld komprimieren und verstärken sowie Elementarteilchen auf relativistische Energien beschleunigen können.

Aufgrund des ~ micro Gauss starken Magnetfeldes im Haufenplasma emittieren diese relativistischen Teilchen Synchrotronstrahlung im Radiobereich, die typischerweise als diffuse Quellen von Mpc-Ausmaß beobachtet wird – in Form von Radiohalos und -relikten. Radiorelikte sind länglich Quellen, die sich meist in den Außenbereichen der Haufen befinden und Schockwellen aufzeigen, die durch Haufenverschmelzungen ausgelöst wurden. Radiohalos hingegen sind zentral im Haufen gelegene Quellen, deren Ursprung auf durch die von Haufenverschmelzung erzeugte Turbulenzen zurückgeführt wird, welche eine Wiederbeschleunigung von Elektronen bewirken.

Beobachtungen bei ultra-niedrigen Frequenzen (<100 MHz) sind entscheidend, um die Energieverteilung der Elektronen auf Hinweise zum zeitlichen Ablauf der Beschleunigungs- und Alterungsprozesse der strahlenden Teilchen zu prüfen.

Bislang wurden nur wenige Galaxienhaufen in diesem Frequenzbereich untersucht, weshalb jedes neue Objekt einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der nicht-thermischen Physik bei ultra-niedrigen Frequenzen liefert.

Eine weitere charakteristische Komponente von Haufen im Radiobereich sind Radiogalaxien. In Haufen zeigen die Materiestrahlen aktiver galaktischer Kerne (AGN) aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem sie umgebenden intracluster Medium (ICM) häufig eine besondere Morphologie. Durch diese Wechselwirkung spielen sie eine wichtige Rolle in der thermischen und dynamischen Entwicklung der Haufen und dienen gleichzeitig als Quelle relativistischer Teilchen im ICM. Diese leicht-relativistischen Teilchen können später durch großskalige Prozesse im Haufen wiederbeschleunigt werden und zur Bildung der oben genannten diffusen Radioquellen beitragen.

Aufgrund ihrer charakteristisch steilen Spektren werden sowohl diffuse Haufenemissionen als auch AGN-Plasma bevorzugt bei niedrigen Radiofrequenzen (< 300 MHz) untersucht, bei denen sie intrinsisch heller erscheinen.

Allerdings sind interferometrische Radiobeobachtungen in diesem Bereich mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden, insbesondere durch die starke Beeinflussung durch ionosphärische Störungen, die richtungsabhängige systematische Fehler im Sichtfeld verursachen.

Mit der Einführung des LOw-Frequency ARray (LOFAR), insbesondere seines Low Band Antennas (LBA)-Systems, wurde ein neues Beobachtungsfenster eröffnet, das hochauflösende und empfindliche Aufnahmen in diesem Frequenzbereich ermöglicht.

Der Zugang zu diesem ultra-niedrigen Frequenzbereich ist entscheidend, um Emission mit ultra-steilen Spektrum nachzuverfolgen, Alterungs- und Wiederbeschleunigungsprozesse kosmischer Elektronen zu untersuchen und fossiles Plasma aus früheren AGN-Aktivitätsphasen zu erfassen.

In dieser Dissertation nutze ich die Möglichkeiten von LOFAR LBA, um eine Auswahl an Objekten zu untersuchen, die aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wichtige Einblicke in die nicht-thermische Physik von Galaxienhaufen liefern.

Im ersten Projekt dieser Arbeit habe ich die dynamische Wechselwirkung zwischen Radiogalaxien und dem umgebenden Medium im Galaxienhaufen ZwCl0634.1+4747 untersucht. Ich kombinierte Daten von vier Teleskopen, die Frequenzen zwischen 53 MHz und 1,5 GHz abdecken, für drei sogenannte Head-Tail-Radiogalaxien in diesem Haufen. Diese stellen vermutlich eine wichtige Quelle leicht relativistischer Elektronen im ICM dar und sind somit ein zentraler Bestandteil der (Wieder-) Beschleunigungsprozesse, die für die diffuse, großskalige Radioemission in Haufen verantwortlich sind.

Für diese Untersuchung war die kombinierte Nutzung von LOFAR LBA- und HBA-Beobachtungen entscheidend, um das gesamte Ausmaß der Radiogalaxienschweife bis zu einer Entfernung von ~1 Mpc zu erfassen – darunter die längsten bekannten Head-Tail-Radiogalaxien – und um die spektralen Eigenschaften der AGN-Schweife zu charakterisieren.

Ich stellte deutliche Abweichungen von reinen Alterungsmodellen fest, die auf Synchrotron- und inverse-Compton-Verlusten basieren.

Abschließend untersuchte ich verschiedene physikalische Prozesse, die für dieses Verhalten verantwortlich sein könnten, und zeigte, dass durch Turbulenzen im Schweif verursachte Wiederbeschleunigung – ausgelöst durch die Wechselwirkung mit dem ICM – eine plausible Erklärung darstellt.

Im zweiten und dritten Projekt konzentrierte ich mich auf die Teilchenbeschleunigung in haufenverschmelzenden Galaxienhaufen durch die Untersuchung von Radiorelikten und Halos.

Das zweite Projekt befasst sich mit CIZA J2242.8+5301, einem wohlbekannten verschmelzenden Galaxienhaufen, der ein prototypisches Beispiel für ein Radiorelikt enthält. Für dieses Objekt führte ich die erste vollständige Reduktion und Kalibration von LOFAR LBA-Daten bei 45 MHz durch, wobei ich ein durch thermisches Rauschen begrenztes Bild mit ~1.5 mJy/beam erzielte.

Durch die Kombination dieser Beobachtungen mit umfangreichen Multifrequenzdaten bis 3 GHz konnte ich integrierte und räumlich aufgelöste Spektralindizes sowie Karten der spektralen Krümmung erzeugen. Darüber hinaus ermöglichten die niederfrequenten Daten – die naturgemäß weniger von Strahlungsverlusten betroffen sind – eine direkte Abschätzung des Injektionsspektrums und damit der Mach-Zahlen der Schockfronten: Mach = 2.9 +- 0.5 und 2.9 +- 0.8 für das nördliche bzw. südliche Relikt.

Schließlich untersuchte ich die Oberflächenhelligkeitverteilung des nördlichen Relikts – jener gut definierten Radiostruktur, die dem Haufen den Spitznamen „Sausage Cluster“ eingebracht hat. Ich stellte fest, dass der östliche Teil des nördlichen Relikts entgegen den Erwartungen ein bemerkenswert symmetrisches Profil zeigt, mit „Flügeln“ zu beiden Seiten des Maximums. Dies steht im Widerspruch zum Standardszenario, das von einer einzigen, scharfen Schockfront mit nachgelagerten Strahlungsverlusten ausgeht.

Zur Erklärung modellierte ich das Oberflächenhelligkeitsprofil unter Berücksichtigung von Projektionseffekten, Magnetfeldvariationen und Schockdeformation, um eine realistischere Beschreibung der beobachteten Emission zu liefern.

Das dritte Projekt konzentriert sich auf das komplexe dreifachverschmelzende System Abell 746, in dem ich mehrere reliktartige Strukturen sowie das zentrale Radiohalo mithilfe von LOFAR LBA, HBA und ergänzenden höherfrequenten Daten analysierte.

Ich bestätigte das Vorhandensein eines klassischen bogenförmigen Relikts im Nordwesten mit typischer spektraler Steilung, was mit einer Alterung hinter einer Stoßfront mit Mach ~2.8 übereinstimmt.

Ähnlich niedrige Mach-Zahlen wurden für die anderen reliktartigen Strukturen (R1, R2, R3) abgeleitet, was auf eine ineffiziente Teilchenbeschleunigung hinweist und die Rolle fossilen Plasmas als Saatpopulation für die Wiederbeschleunigung unterstreicht.

Schließlich zeigte sich, dass das zentrale Gebiet ein~1 Mic großes Radiohalo mit einem ultra-steilen Spektrum (~ -1.6) beherbergt, das durch Anpassung des Oberflächenhelligkeitsprofils charakterisiert wurde. Eine vollständige Abtrennung von diffuser, kontaminierender Emission war jedoch nicht möglich. Dieses Ergebnis stimmt mit Vorhersagen aus dem Szenario der turbulenten Wiederbeschleunigung überein, welches ultra-steile Halos bevorzugt in massearmen Haufen wie A746 erwartet.

Die Ergebnisse dieser Arbeiten belegen, dass die Kombination aus niedrig- und ultra- niedrigfrequenten Beobachtungen entscheidend ist, um die Population steilspektraler Radioquellen in Galaxienhaufen zu identifizieren und zu charakterisieren. Die in dieser Arbeit genutzte Synergie zwischen LOFAR HBA (~ 150 MHz) und LBA (~ 50 MHz) ermöglichte eine detaillierte Untersuchung der Spektralverteilung dieser Quellen und lieferte wertvolle Einblicke in Teilchenalterungs und -wiederbeschleunigungsprozesse, die bei höheren Frequenzen (~ GHz) verborgen geblieben wären.