A dynamical mass map of the Fornax cluster

Chaturvedi, Avinash (2023): A dynamical mass map of the Fornax cluster. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Objekte im Universum. Sie bieten die Möglichkeit, die Verteilung der baryonischen und dunklen Materie auf einer großen physikalischen Skala zu untersuchen. Der Fornax-Galaxienhaufen ist einer der nächsten und dichtesten Galaxienhaufen. Frühere photometrische Untersuchungen des Fornax-Galaxienhaufens haben das Vorhandensein stellarer und gezeitenbedingter Strukturen im Kern und in den Intra-Cluster-Regionen gezeigt. Untersuchungen der Kugelsternhaufenpopulationen (GCs) in Fornax haben eine Überdichte von GCs aufgewiesen, die mehrere zentrale Haufengalaxien miteinander verbindet. GCs sind helle und kompakte Quellen, die als diskrete kinematische Tracer verwendet werden können, um die stellare Population und die Massenverteilung in den Außenbezirken der Galaxien zu untersuchen, wo die Feldsterne zu schwach sind, um direkt beobachtet zu werden. Ziel dieser Arbeit ist es, den Massenaufbau des Fornax-Galaxienhaufens mit Hilfe seiner GC-Systeme zu untersuchen. Das Verständnis des Ursprungs und des kinematischen Verhaltens der GCs innerhalb von Fornax ist entscheidend, um den Masseaufbau des Galaxienhaufens zu verstehen. Arbeiten zur dynamischen Massenmodellierung von Galaxienhaufen haben gezeigt, dass die Vernachlässigung von Substrukturen, die durch Akkretions- und Fusionsereignisse entstehen, Auswirkungen auf die Massenschätzung von Haufen haben kann. Der Fornax-Haufen bietet eine hervorragende Gelegenheit, die Rolle der Substrukturen bei der Massenmodellierung zu untersuchen. In dieser Arbeit habe ich die spektroskopischen Daten des Visible Multi-Object Spectrograph am Very Large Telescope (VLT/VIMOS) aus der spektroskopischen Durchmusterung des Fornax-Haufens am VLT (FVSS) verwendet, die einen Quadratgrad um die zentrale massereiche Galaxie NGC 1399 abdeckt. Ich habe VIMOS-FVSS-Daten zur kinematischen Charakterisierung der photometrisch entdeckten GC Kandidaten verwendet. Mit einer sorgfältigen Analyse dieser Daten detektiere ich insgesamt 777 GCs, was fast einer Verdoppelung der bereits entdeckten GCs entspricht, wobei ich denselben Datensatz wie zuvor verwendet habe. In Kombination mit früheren Radialgeschwindigkeitsmessungen von GCs in Fornax aus der Literatur stelle ich die umfangreichste spektroskopische GC-Stichprobe von 2341 Objekten in dieser Umgebung zusammen. Ich habe herausgefunden, dass rote (metallreiche) GCs meist um Hauptgalaxien herum konzentriert sind, während blaue (metallarme) GCs kinematisch unregelmäßig sind und weit über die Kernregion des Haufens verteilt sind. Ich finde Belege dafür, dass die Substrukturen von Fornax und die Regionen innerhalb des Haufens hauptsächlich von blauen GCs dominiert werden. Um die baryonische und dunkle Materie der zentralen Galaxie des Fornax-Haufens, NGC 1399, zu verstehen, habe ich die kompilierten Radialgeschwindigkeiten der GCs verwendet, um die Massenmodellierung von NGC 1399 bis zu fünf effektiven Radien durchzuführen. Unter Verwendung der sphärischen Jeans-Modellierung habe ich die Dispersions-Kurtosis-Technik angewandt, um das Massenprofil von NGC 1399 und die orbitale Anisotropie der GCs zu erhalten. Unabhängig von den DM-Haloprofilen, die für die Modellierung verwendet werden, stelle ich fest, dass die Intra-Cluster-GCs eine leichte radiale Anisotropie aufweisen, insbesondere bei blauen, metallarmen GCs. Außerdem habe ich das Intra-Cluster-Medium (ICM) von Fornax-ähnlichen Halos aus theoretischer Sicht untersucht. Ich nutze die kosmologische Simulation TNG50 in Synergie mit einer laufenden MeerKAT-Radiodurchmusterung des Fornax-Haufens (MFS), um die Verteilung von kaltem Gas im ICM Fornax-ähnlicher Haufen zu verstehen. Unter Anwendung derselben Beobachtungskriterien wie die MFS stelle ich fest, dass TNG50-Halos bei z $\sim$ 0 eine große Menge an HI-Gas innerhalb des Haufens aufweisen. Ich sage voraus, dass die MFS eine HI Verteilung beobachten wird, der einen Flächenanteil von 10% bei einem Virialradius und bis zu 5% für den Intra-Cluster-HI abdeckt. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich den Massenaufbau des Fornax-Haufens untersucht und etwas über sein IC-Medium gelernt. Die Ergebnisse dieser Arbeit veranschaulichen die Bedeutung der GCs für das Verständnis der Entstehungsgeschichte des Fornax-Haufens und legen die Grundlage dafür, dass Intra-Cluster GCs bei der Massenmodellierung unbedingt berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus bietet die Voraussage einer großen Menge kalten Gases in den Fornax-ähnlichen Halos in den TNG50 Simulationen ein spannendes Szenario, das mit zukünftigen Ergebnissen aus der MFS getestet werden kann.

Abstract

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound objects in the Universe. They provide the opportunity to explore the baryonic and dark matter distribution on a large physical scale. The Fornax galaxy cluster is one of the densest galaxy clusters in the nearby Universe. Previous photometric studies of Fornax have revealed the presence of stellar and tidal streams within the core and intra-cluster regions. Studies of globular clusters (GC) populations in Fornax have shown an overdensity of GCs connecting several central cluster galaxies. GCs are bright and compact sources that can be used as discrete kinematic tracers to study the stellar population and mass distribution of the galaxies’ outskirts, where field stars are too faint to be directly observed. The goal of this thesis is to explore the mass assembly of the Fornax galaxy cluster using its GC systems. A crucial piece of information to understand the mass assembly of the Fornax cluster is to comprehend the origin and kinematic behaviour of the intra-cluster GCs. Dynamical mass-modelling of galaxy clusters has shown that ignoring the presence of substructures which are generated by accretion and merger events could impact the mass estimates of clusters. The Fornax cluster provides an excellent opportunity to explore the role of substructures in mass-modelling. In this thesis, I have used the spectroscopic data from the Visible Multi-Object Spectrograph at Very Large Telescope (VLT/VIMOS) from the Fornax cluster VLT spectroscopic survey (FVSS), covering one square degree around the central massive galaxy NGC 1399. I used VIMOS-FVSS data to kinematically characterize the photometrically discovered GC candidates. With a careful analysis of this data, I confirm a total of 777 GCs, almost doubling previously detected GCs, using the same dataset as was used before. Combined with previous literature radial velocity measurements of GCs in Fornax, I compile the most extensive spectroscopic GC sample of 2341 objects in this environment. I found that red (metal-rich) GCs are mostly concentrated around major galaxies, while blue (metal-poor) GCs are kinematically irregular and are widely spread throughout the core region of the cluster. I find evidence that Fornax substructures and intra-cluster regions are dominated mostly by blue GCs. To understand the baryonic and dark matter of the central galaxy of the Fornax cluster, NGC1399, I used the complied GCs radial velocities to perform the mass-modelling of NGC1399 out to 5 effective radii. Using spherical Jeans modelling, I applied the dispersion-kurtosis technique to obtain the mass profile of NGC1399 and the orbital anisotropy of GCs. I find that both cusp (NFW) and core (Burkert) halos can produce the observed kinematics. Independent of the DM halo profiles used in modelling, I find that intra-cluster GCs have mild radial anisotropy, especially for blue, metal-poor GCs. Lastly, I studied the intra-cluster medium (ICM) of Fornax-like halos from a theoretical point of view. I utilize the TNG50 cosmological simulation in synergy with an ongoing MeerKAT radio survey of the Fornax cluster (MFS) to understand the distribution of cold gas in the ICM of Fornax-like clusters. I find that TNG50 halos at z $\sim$ 0, have an abundant amount of intra-cluster HI gas. I predict that MFS will observe an HI covering fraction of 10 % at one virial radius and up to 5 % for the intra-cluster HI. In summary, I have studied the mass assembly of the Fornax cluster and learned about its IC medium. The results from this thesis illustrate the importance of GCs in understanding the assembly history of the Fornax cluster and lays the foundation for future, more detailed mass-modelling work of intra-cluster GCs. In addition, the prediction of a large amount of cold gas in Fornax-like halos in the TNG50 simulations provides an exciting scenario to be tested with future results from the MFS.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. März 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Burkert, Andreas