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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-95644
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9564/


Diffuse Radio Emission in Merging Galaxy Clusters

Diffuse Radioemission in verschmelzenden Galaxienhaufen

Wilber, Amanda Gloria

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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: 18.12.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 15.03.2019
Kurzfassung auf Deutsch: Galaxy clusters are large assemblies of galaxies and an intervening hot gas which displays abundant physical processes and astrophysical sources of radiation. The intracluster medium (ICM), which makes up the space in between individual cluster galaxies, is a hot, dilute plasma that is laced with complex micro Guass magnetic fields and a population of cosmic ray particles. As the large-scale structure of the Universe dictates, groups and clusters of galaxies merge to form more massive clusters and superclusters. A cluster-cluster merger occurs over the time scale of about 1 Gyr, and during this time the magnetohydrodynamical collisions of the intracluster media produce turbulence and shocks that propagate throughout the gravitationally bound system. Merger-induced turbulence and shocks act as drivers for particle acceleration in the ICM. The acceleration of cosmic ray electrons within the ICM magnetic field produces cluster-sized structures of synchrotron radio emission. The origins of these radio structures, called radio halos and radio relics, is still being investigated.

In order to understand their origins, I have searched for and studied the radio properties of halos and relics in merging galaxy clusters. I reduced and calibrated observational data from the LOw Frequency ARray (LOFAR) Two-meter Sky Survey to make science-quality images of several diffuse radio radio sources in the cluster environment. I combined these LOFAR images with images at other frequencies to carry out spectral analyses and determine scenarios for particle acceleration. In the last three years, I have gathered and published my findings in three first-author refereed journal articles. In these papers, we announced several discoveries: two new radio halos, never-before-seen extended emission in two giant head-tail radio galaxies, remnant radio emission at the center of a low-mass cluster, and a radio non-detection in the region of a known shock in a massive cluster. As part of my research, I have focused on how observational evidence either supports or challenges current models on particle acceleration.

The turbulent re-acceleration model predicts that ultra-steep spectrum radio halos (USSRHs) should be more common in merging systems; we discovered such a USSRH in the merging cluster Abell 1132. Conversely, our radio non-detection in the region of a confirmed shock in a massive, merging cluster challenges the leading theory for the formation of radio relics. We have also found cases where merger-driven mechanisms appear to be disturbing, re-accelerating, and re-energizing the emission of bent-tail radio galaxies. The discovery of extended diffuse emission associated with these radio galaxies also supports the theory that radio-loud active galactic nuclei and radio galaxy remnants can provide a large quantity of seed electrons to the ICM. Finally, I have also studied how the radio properties of halos and relics can be directly connected to the evolutionary phases of mergers.
Kurzfassung auf Englisch: Galaxienhaufen sind große Ansammlungen von Galaxien, zwischen denen sehr heißes Gas liegt. Das Intracluster-Medium (ICM), das den Raum zwischen den einzelnen Clustergalaxien füllt, ist ein heißes, verdünntes Plasma, das von komplexen microG-Magnetfeldern und einer Population von kosmischen Strahlungsteilchen durchzogen ist. Galaxiengruppen und Galaxienhaufen verschmelzen zu massiveren Clustern und Superclustern und bilden so die großräumige Struktur des Universums. Eine Verschmelzung von zwei Galaxienhaufen erfolgt über die Zeitskala von etwa 1 Gyr, und während dieser Zeit erzeugen die magnetohydrodynamischen Stöße des Intracluster-Mediums Turbulenz und Stoßwellen, die sich in dem gravitationsgebundenen System ausbreiten. Turbulenz und Stoßwellen agieren als Treiber für die Teilchenbeschleunigung im ICM. Die Beschleunigung der Elektronen der kosmischen Strahlung innerhalb des ICM-Magnetfelds erzeugt großflächige Quellen von Synchrotronstrahlung im Radiobereich. Der Ursprung dieser Radioquellen, die als Radiohalos und Radiorelikte bezeichnet werden, ist noch nicht geklärt.

Um ihre Herkunft zu verstehen, habe ich die Radioeigenschaften von Halos und Relikten in kollidierenden Galaxienhaufen untersucht. Ich habe die die Beobachtungsdaten des Two Metre Sky Survey mit dem LOw Frequency ARray (LOFAR) reduziert und kalibriert, um Bilder verschiedener diffuser Radioquellen in der Clusterumgebung in wissenschaftlicher Qualität zu erstellen. Ich habe die LOFAR Daten mit Daten bei anderen Frequenzen kombiniert, um Spektralanalysen durchzuführen und Szenarien für die Teilchenbeschleunigung zu bestimmen. In den letzten drei Jahren habe ich meine Ergebnisse in drei Erstautor-Artikeln in referierten Zeitschriften veröffentlicht. In diesen Artikeln beschreibe ich mehrere Entdeckungen: zwei neue Radio-Halos, eine nie zuvor gesehene, ausgedehnte Quelle in zwei riesigen Head-tail Galaxien, Radioemission im Zentrum eines massearmen Clusters und eine Nicht-Detektion einer bekannten Stoßwelle in einem massiven Galaxienhaufen. Im Rahmen meiner Forschung habe ich mich darauf konzentriert, durch Beobachtungen aktuelle Modelle zur Teilchenbeschleunigung zu überprüfen.

Das turbulente Wiederbeschleunigungsmodell sagt voraus, dass ultrasteile Radiohalos (ultra-steep spectrum halos - USSRHs) vermehrt in kollidierenden Systemen auftreten sollte. Wir entdeckten eine solche USSRH im kollidierenden Cluster Abell 1132. Umgekehrt stellt unsere Nichterfassung von Radioquellen im Bereich einer bestätigten Stoßwelle in einem massiven, sich verschmelzenden Cluster die führende Theorie für die Bildung von Relikten in Frage. Wir haben auch Fälle gefunden, in denen Turbulenz aus dem kollidierenden ICM das Plasma in Radiogalaxien wieder beschleunigt. Die Entdeckung der ausgedehnten diffusen Emission, die mit diesen Radiogalaxien verbunden ist, stützt auch die Theorie, dass radiolaute, aktive Galaxienkerne dem ICM eine große Menge an Keimelektronen zuführen können. Schließlich habe ich auch untersucht, wie die Radio-Eigenschaften von Halos und Relikten direkt mit den Entwicklungsphasen einer Kollision verknüpft werden können.

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