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Probing the intracluster medium at high angular resolution via radio-interferometric measurements of the Sunyaev-Zeldovich effect
Probing the intracluster medium at high angular resolution via radio-interferometric measurements of the Sunyaev-Zeldovich effect
The work presented in this thesis is devoted to investigating the physics of galaxy clusters through the characterization of their Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect signal observed by the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) and the Atacama Compact Array (ACA). The unparalleled capabilities of ALMA+ACA have definitely opened a millimeter-wave window on the physics of the intracluster medium. The pioneering observations of the SZ effect over scales of a few arcseconds demonstrated that ALMA+ACA can effectively provide a new observational tool, complementary to the more traditional X-ray observations, for probing the physical and thermodynamic state of the intracluster medium down to the smallest physical scales. Central for employing ALMA+ACA to map SZ structures are its outstanding sensitivity and angular resolving power. However, ALMA+ACA currently offers no sensitivity to any signal extending on scales larger than 1-2 arcminutes, as such information is severely filtered out through the interferometric response. A radio-interferometer can in fact provide measurements of signals with angular sizes solely corresponding to the inverse of the lengths of the individual baselines within the array. It follows that the pair of antennae at the smallest distance within an interferometer poses a hard limit on the maximum scale recoverable in a given observation. As galaxy clusters cover scales often larger than the field of view of ALMA, the result is a heavily high-pass filtered view of their SZ signature. In turn, both the proper interpretation of the reconstructed images and the analysis of the raw data become non trivial. To overcome the issue related to the large-scale filtering effect inherent to ALMA, it is key to combine the high-resolution ALMA+ACA measurements with complementary data or information. One possibility to tackle the lack of information on large scales is to consider SZ measurements from single-dish facilities. In fact, single-dish measurements generally have angular resolutions lower than radio-interferometric ones, but can recover sufficiently large angular scales to constrain the total SZ flux from a galaxy cluster. The reconstruction of the SZ signal from the joint analysis of radio-interferometric and single observations can thus be used to get insights into the physical state of small-scale structures within the intracluster medium as well as its global properties. The rich availability of SZ measurements of the renowned galaxy cluster RX J1347.5-1145 offered the opportunity to test such joint modelling approach. As the SZ effect provides information on the line-of-sight integral of the electron pressure distribution within a cluster, the joint study allowed to get a model of the intracluster pressure over an outstanding range of scales. Through the comparison with an independent analysis of X-ray measurements, this allowed for gaining novel insight into the thermodynamic properties of RX J1347.5-1145, as well as its formation history. The combination of SZ data with X-ray information is clearly central for obtaining a robust description of the intracluster gas and of any intracluster structures that attest to the dynamical nature of galaxy clusters. In particular, a joint SZ+X-ray high-resolution view of the shock fronts within galaxy clusters can help constraining a number of plasma properties fundamental to plasma physics on its own, as well as in the broader context of astrophysical processes, e.g., cluster and galaxy evolution, and the impact of merger and accretion processes of the cluster environment. Widely regarded as the "textbook example" of a cluster merger bow shock, the shock front in the "Bullet Cluster" (1E0657-56) represented the ideal test case for such an SZ study. The reconstruction of the shock properties specifically allowed for inferring the possible electron heating mechanisms taking place within the shocked gas. Finally, ALMA+ACA can serve as a powerful combination for providing direct and relatively inexpensive confirmation of galaxy clusters identified by other means (e.g., wide-field surveys at other wavelengths or with cosmic microwave background experiments) through the measure of their SZ signal. Although ALMA and ACA's mapping speeds are significantly lower than that of a SZ survey experiment, the angular resolution and sensitivity of ALMA+ACA allow one to easily measure the SZ effect from high-redshift systems. The study of a first pilot sample of galaxy cluster from the "Verification with the Atacama Compact Array - Localisation and Cluster Analysis" programme provided a first assessment of ACA's ability to get robust detections of high-redshift galaxy clusters and constraints on their masses., Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit widmet sich der Untersuchung der Physik von Galaxienhaufen mithilfe der Charakterisierung des Sunyaev-Zeldovich (SZ) Effekts in Beobachtung mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und dem Atacama Compact Array (ACA). Die beispiellosen Fähigkeiten von ALMA+ACA haben dem Studium der Physik des Mediums innerhalb von Galaxienhaufen ein Fenster im Millimeter WellenLängenbereich eröffnet. Die bahnbrechenden Beobachtungen des SZ Effekts auf Skalen von einigen Winkelsekunden haben gezeigt, dass ALMA+ACA effektiv ein neues Beobachtungswerkzeug bereitstellen können, welches komplementär zu den eher traditionellen Beobachtungen von Röntgenlicht ist, da dazu verwendet werden kann, den physikalischen und thermodynamischen Zustand des Mediums in Galaxienhaufen bis auf die kleinsten physikalischen Skalen zu testen. Von zentraler Bedeutung für den Einsatz von ALMA zur Abbildung von SZ Strukturen ist die herausragende Sensitivität und bisher unerreichte Winkelauflösung. Allerdings besitzt ALMA bisher noch keine Sensitivität für Signale, welche sich auf Skalen größer als 1-2 Winkelminuten erstrecken, da die Information über deren Präsenz durch die Verwendung von Interfermotrie stark heraus gefiltert wird. In der tat besitzen Messungen von Signalen durch Radio-interferometrie nur diejenigen Winkelskalen, welche den inversen Längen von individuellen Basislinien innerhalb des Arrays entsprechen. Daraus folgt, dass das Antennen Paar mit dem kleinsten Abstand innerhalb des Interferometers ein definitive obere Grenze für die maximal rekonstruierbare Größenskala in einer Beobachtung darstellt. Da sich die Größenskalen von Galaxienhaufen Längen erstrecken, welche über das Blickgeld von ALMA hinausgehen, verhalten sich SZ Signaturen als wären sie mit durch einen Hochpassfilter geschickt worden. Dementsprechend ist sowohl die richtige Interpretation der rekonstruierten Bilder als auch die Analyse von Rohdaten nicht trivial. Die Herausforderung, dass ALMA Beobachtungen grundlegend die größten Skalen heraus filtern, verlangt weitere komplementäre Daten/Informationen von hoch aufgelösten ALMA Messungen mit einander zu kombinieren. Eine Möglichkeit mit der fehlenden Information auf grossen Skalen umzugehen ist es, die SZ Messungen von einer einzelnen Teleskop-Einrichtung zu betrachten. Tatsächlich haben diese Messungen im allgemeinen kleinere Winkelauflösungen als deren radio-interferometrie Äquivalent, jedoch können sie hinreichend grosse Skalen rekonstruieren und sind damit in der Lage den gesamten SZ Stahlungsfluss eines Galaxienhaufens zu bestimmen. Die Rekonstruktion des SZ signals aus der gemeinsamen analyse von Radio-interferometrischen und einzelnen Beobachtungen kann deshalb dazu verwendet werden, sowohl Einsichten in den physikalischen Zustand der kleinskaligen Struktur innerhalb von des Galaxienhaufen-Mediums zu erhalten, als auch global dessen Eigenschaften zu bestimmen. Die grosse Verfügbarkeit von SZ Messungen des bekannten Galaxienhaufens RX J1347.5-1145 stellt die Möglichkeit für eine solche gleichzeitige Modellierung bereit. Gegeben, dass der SZ Effekt Information über die Elektronen-Druckverteilung innerhalb eines Galaxienhaufens entlang der Sichtlinie bereitstellt, erlaubte die Studie ein Modell der Druckverhältnisse innerhalb des Haufens auf bisher unerreichten Längenskalen zu erhalten. Durch den Vergleich mit Analysen von Messungen im RöntgenwellenLängenbereich, erlaubte dies sowohl neue Einsichten in die thermodynamischen Eigenschaften von RX J1347.5-1145 als auch dessen Entstehungsgeschichte. Die Kombination aus SZ Daten und Röntgenbeobachtungen ist erkenntlicherweise von zentraler Bedeutung fur eine robuste Beschreibung des Gases und der Strukturen innerhalb eines Galaxienhaufens, welche wiederum Rückschlüsse auf die dynamische Natur des Haufens zulassen. Insbesondere kann eine gemeinsame Betrachtung von hochaufgelösten SZ und Röntgenbeobachtungen eines Schocks innerhalb innerhalb von Galaxienhaufen dabei helfen, sowohl mehrere fundamentale Plasma Eigenschaften (und damit Plasmaphysik an sich), als auch im weiteren Kontext die Eigenschaften von astrophysikalischen Prozessen einzugrenzen, wie z.B. die Entwicklung von Galaxien und deren Haufen, oder den Einfluss von Akkretionsprozessen in der näheren Umgebung. Vielerseits gilt der bogenförmige Schock im sogenannten Bullet Cluster (1E0657-56) als das "Textbuch Beispiel" eines Idealfalls für eine SZ Studie. Die Rekonstruktion der Schock Eigenschaften erlaubte hier insbesondere die möglichen Erhitzungsmechanismen von Elektronen innerhalb des Schocks zu bestimmen. Letztendlich können ALMA+ACA als eine mächtige Kombination zur direkten und relativ günstigen Bestätigung bei der Identifikation von Galaxienhaufen dienen, welche über andere Mittel (wie z.B. Weitfeld Studien in anderen WellenLängen or CMB experimenten) beobachtet wurden, insbesondere durch die Messung derer SZ Signale. Obwohl ALMAs Abbildungsgeschwindigkeit signifikant kleiner ist als die von Experimenten zur Erhebung von SZ Strukturen, erlauben einem die Winkelauflösung und Sensitivität von ALMA doch eine einfache Messung des SZ Effekts in Systemen mit hoher Rotverschiebung. Die erst Pilotstudie einer Galaxienhaufen Stichprobe des VACA LoCA (engl. für "Verification with the Atacama Compact Array - Localisation and Cluster Analysis") erlaubte bereits eine erste Beurteilung von ACA Fähigkeiten eine robuste Detektion von Galaxienhaufen mit hoher Rotverschiebung samt Massenbestimmungen durchzuführen.
astrophysics, galaxy clusters, intracluster medium, radio-interferometry, Sunyaev-Zeldovich effect
Di Mascolo, Luca
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Di Mascolo, Luca (2020): Probing the intracluster medium at high angular resolution via radio-interferometric measurements of the Sunyaev-Zeldovich effect. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The work presented in this thesis is devoted to investigating the physics of galaxy clusters through the characterization of their Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect signal observed by the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) and the Atacama Compact Array (ACA). The unparalleled capabilities of ALMA+ACA have definitely opened a millimeter-wave window on the physics of the intracluster medium. The pioneering observations of the SZ effect over scales of a few arcseconds demonstrated that ALMA+ACA can effectively provide a new observational tool, complementary to the more traditional X-ray observations, for probing the physical and thermodynamic state of the intracluster medium down to the smallest physical scales. Central for employing ALMA+ACA to map SZ structures are its outstanding sensitivity and angular resolving power. However, ALMA+ACA currently offers no sensitivity to any signal extending on scales larger than 1-2 arcminutes, as such information is severely filtered out through the interferometric response. A radio-interferometer can in fact provide measurements of signals with angular sizes solely corresponding to the inverse of the lengths of the individual baselines within the array. It follows that the pair of antennae at the smallest distance within an interferometer poses a hard limit on the maximum scale recoverable in a given observation. As galaxy clusters cover scales often larger than the field of view of ALMA, the result is a heavily high-pass filtered view of their SZ signature. In turn, both the proper interpretation of the reconstructed images and the analysis of the raw data become non trivial. To overcome the issue related to the large-scale filtering effect inherent to ALMA, it is key to combine the high-resolution ALMA+ACA measurements with complementary data or information. One possibility to tackle the lack of information on large scales is to consider SZ measurements from single-dish facilities. In fact, single-dish measurements generally have angular resolutions lower than radio-interferometric ones, but can recover sufficiently large angular scales to constrain the total SZ flux from a galaxy cluster. The reconstruction of the SZ signal from the joint analysis of radio-interferometric and single observations can thus be used to get insights into the physical state of small-scale structures within the intracluster medium as well as its global properties. The rich availability of SZ measurements of the renowned galaxy cluster RX J1347.5-1145 offered the opportunity to test such joint modelling approach. As the SZ effect provides information on the line-of-sight integral of the electron pressure distribution within a cluster, the joint study allowed to get a model of the intracluster pressure over an outstanding range of scales. Through the comparison with an independent analysis of X-ray measurements, this allowed for gaining novel insight into the thermodynamic properties of RX J1347.5-1145, as well as its formation history. The combination of SZ data with X-ray information is clearly central for obtaining a robust description of the intracluster gas and of any intracluster structures that attest to the dynamical nature of galaxy clusters. In particular, a joint SZ+X-ray high-resolution view of the shock fronts within galaxy clusters can help constraining a number of plasma properties fundamental to plasma physics on its own, as well as in the broader context of astrophysical processes, e.g., cluster and galaxy evolution, and the impact of merger and accretion processes of the cluster environment. Widely regarded as the "textbook example" of a cluster merger bow shock, the shock front in the "Bullet Cluster" (1E0657-56) represented the ideal test case for such an SZ study. The reconstruction of the shock properties specifically allowed for inferring the possible electron heating mechanisms taking place within the shocked gas. Finally, ALMA+ACA can serve as a powerful combination for providing direct and relatively inexpensive confirmation of galaxy clusters identified by other means (e.g., wide-field surveys at other wavelengths or with cosmic microwave background experiments) through the measure of their SZ signal. Although ALMA and ACA's mapping speeds are significantly lower than that of a SZ survey experiment, the angular resolution and sensitivity of ALMA+ACA allow one to easily measure the SZ effect from high-redshift systems. The study of a first pilot sample of galaxy cluster from the "Verification with the Atacama Compact Array - Localisation and Cluster Analysis" programme provided a first assessment of ACA's ability to get robust detections of high-redshift galaxy clusters and constraints on their masses.

Abstract

Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit widmet sich der Untersuchung der Physik von Galaxienhaufen mithilfe der Charakterisierung des Sunyaev-Zeldovich (SZ) Effekts in Beobachtung mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und dem Atacama Compact Array (ACA). Die beispiellosen Fähigkeiten von ALMA+ACA haben dem Studium der Physik des Mediums innerhalb von Galaxienhaufen ein Fenster im Millimeter WellenLängenbereich eröffnet. Die bahnbrechenden Beobachtungen des SZ Effekts auf Skalen von einigen Winkelsekunden haben gezeigt, dass ALMA+ACA effektiv ein neues Beobachtungswerkzeug bereitstellen können, welches komplementär zu den eher traditionellen Beobachtungen von Röntgenlicht ist, da dazu verwendet werden kann, den physikalischen und thermodynamischen Zustand des Mediums in Galaxienhaufen bis auf die kleinsten physikalischen Skalen zu testen. Von zentraler Bedeutung für den Einsatz von ALMA zur Abbildung von SZ Strukturen ist die herausragende Sensitivität und bisher unerreichte Winkelauflösung. Allerdings besitzt ALMA bisher noch keine Sensitivität für Signale, welche sich auf Skalen größer als 1-2 Winkelminuten erstrecken, da die Information über deren Präsenz durch die Verwendung von Interfermotrie stark heraus gefiltert wird. In der tat besitzen Messungen von Signalen durch Radio-interferometrie nur diejenigen Winkelskalen, welche den inversen Längen von individuellen Basislinien innerhalb des Arrays entsprechen. Daraus folgt, dass das Antennen Paar mit dem kleinsten Abstand innerhalb des Interferometers ein definitive obere Grenze für die maximal rekonstruierbare Größenskala in einer Beobachtung darstellt. Da sich die Größenskalen von Galaxienhaufen Längen erstrecken, welche über das Blickgeld von ALMA hinausgehen, verhalten sich SZ Signaturen als wären sie mit durch einen Hochpassfilter geschickt worden. Dementsprechend ist sowohl die richtige Interpretation der rekonstruierten Bilder als auch die Analyse von Rohdaten nicht trivial. Die Herausforderung, dass ALMA Beobachtungen grundlegend die größten Skalen heraus filtern, verlangt weitere komplementäre Daten/Informationen von hoch aufgelösten ALMA Messungen mit einander zu kombinieren. Eine Möglichkeit mit der fehlenden Information auf grossen Skalen umzugehen ist es, die SZ Messungen von einer einzelnen Teleskop-Einrichtung zu betrachten. Tatsächlich haben diese Messungen im allgemeinen kleinere Winkelauflösungen als deren radio-interferometrie Äquivalent, jedoch können sie hinreichend grosse Skalen rekonstruieren und sind damit in der Lage den gesamten SZ Stahlungsfluss eines Galaxienhaufens zu bestimmen. Die Rekonstruktion des SZ signals aus der gemeinsamen analyse von Radio-interferometrischen und einzelnen Beobachtungen kann deshalb dazu verwendet werden, sowohl Einsichten in den physikalischen Zustand der kleinskaligen Struktur innerhalb von des Galaxienhaufen-Mediums zu erhalten, als auch global dessen Eigenschaften zu bestimmen. Die grosse Verfügbarkeit von SZ Messungen des bekannten Galaxienhaufens RX J1347.5-1145 stellt die Möglichkeit für eine solche gleichzeitige Modellierung bereit. Gegeben, dass der SZ Effekt Information über die Elektronen-Druckverteilung innerhalb eines Galaxienhaufens entlang der Sichtlinie bereitstellt, erlaubte die Studie ein Modell der Druckverhältnisse innerhalb des Haufens auf bisher unerreichten Längenskalen zu erhalten. Durch den Vergleich mit Analysen von Messungen im RöntgenwellenLängenbereich, erlaubte dies sowohl neue Einsichten in die thermodynamischen Eigenschaften von RX J1347.5-1145 als auch dessen Entstehungsgeschichte. Die Kombination aus SZ Daten und Röntgenbeobachtungen ist erkenntlicherweise von zentraler Bedeutung fur eine robuste Beschreibung des Gases und der Strukturen innerhalb eines Galaxienhaufens, welche wiederum Rückschlüsse auf die dynamische Natur des Haufens zulassen. Insbesondere kann eine gemeinsame Betrachtung von hochaufgelösten SZ und Röntgenbeobachtungen eines Schocks innerhalb innerhalb von Galaxienhaufen dabei helfen, sowohl mehrere fundamentale Plasma Eigenschaften (und damit Plasmaphysik an sich), als auch im weiteren Kontext die Eigenschaften von astrophysikalischen Prozessen einzugrenzen, wie z.B. die Entwicklung von Galaxien und deren Haufen, oder den Einfluss von Akkretionsprozessen in der näheren Umgebung. Vielerseits gilt der bogenförmige Schock im sogenannten Bullet Cluster (1E0657-56) als das "Textbuch Beispiel" eines Idealfalls für eine SZ Studie. Die Rekonstruktion der Schock Eigenschaften erlaubte hier insbesondere die möglichen Erhitzungsmechanismen von Elektronen innerhalb des Schocks zu bestimmen. Letztendlich können ALMA+ACA als eine mächtige Kombination zur direkten und relativ günstigen Bestätigung bei der Identifikation von Galaxienhaufen dienen, welche über andere Mittel (wie z.B. Weitfeld Studien in anderen WellenLängen or CMB experimenten) beobachtet wurden, insbesondere durch die Messung derer SZ Signale. Obwohl ALMAs Abbildungsgeschwindigkeit signifikant kleiner ist als die von Experimenten zur Erhebung von SZ Strukturen, erlauben einem die Winkelauflösung und Sensitivität von ALMA doch eine einfache Messung des SZ Effekts in Systemen mit hoher Rotverschiebung. Die erst Pilotstudie einer Galaxienhaufen Stichprobe des VACA LoCA (engl. für "Verification with the Atacama Compact Array - Localisation and Cluster Analysis") erlaubte bereits eine erste Beurteilung von ACA Fähigkeiten eine robuste Detektion von Galaxienhaufen mit hoher Rotverschiebung samt Massenbestimmungen durchzuführen.