On simulations of cosmic rays in the large-scale structure of the universe

Böss, Ludwig Maximilian (2024): On simulations of cosmic rays in the large-scale structure of the universe. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Kosmische Strahlung, auch Cosmic Rays (CRs) genannt, in Form von relativistischen Protonen und Elektronen sind die Quelle nicht-thermischer Strahlung in einer Vielzahl astrophysikalischer Systeme. Diese Strahlung gibt Einblicke in die Stärke und Struktur von Magnetfeldern, kosmische Stoßwellen und nicht-thermischer Druckkomponenten im interstellaren oder intergalaktischen Medium. In der großräumigen Struktur des Universums sind CR Elektronen die Quelle für Synchrotron Emission in Radio Halos, Radio Relikten und den Jets aktiver galaktischer Kerne. CR Protonen andererseits sollten durch die Interaktion zwischen CR Protonen und den thermischen Protonen des Intra-Cluster Medium diffuse Gamma-Strahlung produzieren. Diese Gamma-Strahlung wurde jedoch bisher nicht beobachtet. Eine Abschätzung dieser Gamma-Strahlung wird benötigt um einen Einblick in die nicht-thermischen Druckkomponenten von Galaxienhaufen zu erhalten und um Observationsfenster für die Beobachtung von Dunkler Materie zu finden. Simulationen des sogenannten Cosmic Web ermöglichen Einblicke in die Entstehung und Entwicklung der größten gravitativ gebundenen Strukturen des Universums. Sogar die modernsten Simulationen verfügen nicht über die benötigte Auflösung, um kosmische Strahlung aus ersten Prinzipien zu simulieren. Wir benötigen deshalb eine sorgsame Beschreibung für die Physik komischer Strahlung, die sich unter der Auflösungsgrenze dieser Simulationen befindet, um den Effekt der kosmischen Strahlung auf die Strukturbildung unseres Universums zu studieren. In dieser Arbeit fassen wir die Entwicklung von Crescendo: Cosmic Ray Evolution with SpeCtral Electrons aND prOtons zusammen. Crescendo ist ein numerisches Modell, welches die Spektren von CR Protonen und Elektronen als stückweise Potenzgesetze darstellt und deren zeitliche Entwicklung in Simulationen kosmischer Strukturbildung berechnet. Diese zeitliche Entwicklung berücksichtigt folgende Aspekte: Die Beschleunigung kosmischer Strahlung an Stoßwellen, hervorgerufen durch Kollisionen massiver Galaxienhaufen und Massenakkretion, oder Supernova Explosionen, Energieänderungen durch adiabatische Expansion oder Kompression des umliegenden Gases, Energieverluste durch Synchrotron-, inverse Compton Strahlung und Teilchenkollisionen, Energiezunahme durch turbulente Nachbeschleunigung, sowie Transport von CR Teilchen durch Advektion und Diffusion. Die zeitliche Entwicklung der Spektren erlaubt es uns Observablen wie Synchrotron Emission und die Emission von Gamma-Strahlung selbstkonsistent zu berechnen und mit realen Beobachtungen zu vergleichen. Nach einer allgemeinen Einleitung in Teil I stellen wir in Teil II das Modell vor und vergleichen die Genauigkeit mit analytischen Lösungen. In den Kapiteln von Teil III zeigen wir die Anwendung auf die Simulation verschiedener kosmischer Strukturen mit zunehmender Komplexität. Zuerst wenden wir Crescendo auf idealisierte Simulationen kollidierender Galaxienhaufen an. Das erlaubt es uns die Beschleunigung von kosmischer Strahlung an den resultierenden Stoßwellen und deren Auswirkung auf die Entwicklung von Radio Relikten zu untersuchen. Wir sind in der Lage grundlegende Beobachtungen zu reproduzieren, wie beispielsweise die Form des Synchrotron Spektrums oder die Versteilerung der Synchrotron Spektren hinter den Stoßwellen. Im darauffolgenden Kapitel untersuchen wir die Wechselwirkung zwischen kollidierenden Stoßwellen und deren Einfluss auf die Beschleunigung kosmischer Strahlung in einer ultrahoch aufgelösten zoom-in Simulation eines massiven Galaxienhaufens. Das erlaubt es uns eine Erklärung für die Entstehung einer neu entdeckten Klasse von Radio Relikten zu finden, der sogenannten "Wrong Way Radio Relics". Diese Relikte zeigen komplexe Morphologie, wobei das Relikt zum Zentrum des Galaxienhaufens hingebeugt ist, anstatt die typische Beugung weg vom Zentrum des Haufens aufzuweisen. Mit unserem Modell sind wir in der Lage zu zeigen, dass diese Relikte entstehen können, wenn eine sich nach Außen bewegende Stoßwelle von einer einfallenden Galaxiengruppe deformiert wird. In den zwei darauffolgenden Kapiteln wenden wir unser Modell in einer Simulation eines kosmologischenVolumens an, um diffuse nicht-thermische Strahlung im CosmicWeb vorherzusagen. Wir konzentrieren uns dabei zuerst auf die Synchrotron Strahlung relativistischer Elektronen indem wir Crescendo auf eine Version des SLOW Simulationssatzes und zoom-in Simulationen des Coma Galaxienhaufen anwenden. Wir finden konsistente Teilchenbeschleunigung an Akkretionsschocks um Galaxienhaufen und Filamente des CosmicWeb, welche signifikante Saat-Populationen von CR Elektronen produziert. Wir untersuchen die daraus resultierende diffuse Synchrotron Strahlung unter Berücksichtigung verschiedener Magnetfeldmodelle und finden diffuse Emission in allen Bereichen des CosmicWeb. Allerdings liegt diese Emission selbst mit den optimistischsten Parametern für Teilchenbeschleunigung und Magnetfeldstärke 1-2 Größenordnungen unter der Sensitivität moderner Radioteleskope. Zuletzt analysieren wir die CR Protonen derselben Simulation, um Vorhersagen für diffuse Gamma-Strahlung in Galaxienhaufen und Filamenten des Cosmic Web zu treffen. Wir finden CR Protonenbeschleunigung und damit diffuse Gamma-Strahlung in allen Bereichen des CosmicWeb. Der beobachtbare Strahlungsfluss liegt 3-4 Größenordnungen unter der derzeitigen oberen Grenze welche mit dem Fermi-LAT Instrument detetktiert werden kann. Wir diskutieren daraufhin die Auswirkungen unserer Parameter für Teilchenbeschleunigung und die Genauigkeit unserer Stoßwellendetektion auf diese Ergebnisse und finden, dass die Auswirkungen signifikant sein können. Deshalb sind zukünftige zoom-in Simulationen nötig, um diese Ergebnisse zu verifizieren.

Abstract

Cosmic rays (CRs) in the shape of relativistic protons and electrons are the source of non-thermal radiation in a plethora of astrophysical systems. Their emission provides insights into the strength and structure of magnetic fields, cosmic shock waves, and non-thermal pressure components in the interstellar or intergalactic medium. In the large-scale structure of the Universe CR electrons are the likely source of synchrotron emission from Radio Halos, Radio Relics, and AGN jets. CR protons on the other hand should be detectable via diffuse gamma-rays from their interaction with the thermal background gas, however, this emission has not yet been found. Estimating the gamma-ray emission from this process is required to study the non-thermal pressure support in clusters, as well as finding observational windows for potential detection of Dark Matter interaction. Simulations of the Large-Scale Structure of the Universe, the so-called Cosmic Web, give insights into the origin and evolution of the largest gravitationally bound structures in the Universe. Even state-of-the-art simulations of cosmological structure formation lack the resolution to simulate the effect cosmic rays have on their environment from first principles. We therefore require a careful sub-grid description of cosmic ray physics that can be included in such simulations to model the effect cosmic rays may have on the evolution of cosmic structure. In this work, we summarize the development of Crescendo: Cosmic Ray Evolution with SpeCtral Electrons aND prOtons, a cosmic ray model that represents the spectra of cosmic ray protons and electrons as piece-wise power-laws and evolves these spectra in time on-the-fly within simulations of cosmological structure formation. This time evolution accounts for: The acceleration of CRs at shocks caused by collisions between massive galaxy clusters and mass accretion, or supernova explosions, energy changes due to adiabatic compression or expansion of the surrounding gas, energy losses due to synchrotron emission, inverse Compton scattering, and Coulomb collisions, energy gains due to turbulent re-acceleration, and transport of CRs through advection and diffusion. The time evolution of these spectra further allows us to obtain observables such as synchrotron- and gamma-ray emission self-consistently, which can be compared to real observations. After a general introduction in Part I, we introduce the model and provide tests of its performance against analytic solutions in Part II. In the chapters of Part III, we show its application to a number of simulations of cosmic structures with increasing complexity. First, we apply Crescendo to simulations of idealized galaxy cluster mergers. This allows us to study CR acceleration at merger shocks and the formation of Radio Relics. We are able to reproduce key observables such as the synchrotron spectrum and the spectral steepening downstream of the relic. In the subsequent chapter, we study the interaction of colliding shock waves and their impact on CR acceleration in an ultra-high resolution zoom-in simulation of a massive galaxy cluster. This allows us to provide an explanation for the formation of an only recently discovered class of radio relics, referred to as "Wrong Way Radio Relics". These relics show complex morphologies with the relic bent towards the cluster center, instead of the typical bend away from the cluster center. With our model, we are able to show that these radio relics can form if an in-falling group of galaxies collides with an outwards traveling shock wave and deforms the radio relic as it passes through the shock surface. In the two following chapters, we extend our modeling to a constrained simulation of a cosmological volume to study diffuse non-thermal emission from the Cosmic Web. We will first study diffuse synchrotron emission from cosmicweb filaments by applying Crescendo to a realization of the SLOW simulation set and a number of zoom-in simulations of the Coma cluster. We find consistent CR acceleration at accretion shocks onto galaxy clusters and cosmic web filaments, which produce significant CR seed populations. We then investigate the diffuse emission those CR populations can produce under various magnetic field models and with the influence of turbulent re-acceleration of CRs. We find diffuse emission in all regimes, however, even with the most optimistic parameters for magnetic field strength and CR injection this emission still lies 1-2 orders of magnitude below the detection limit of current radio telescopes. Finally, we analyze the same simulation as in the previous chapter but consider the CR proton population. This allows us to make predictions for diffuse gamma-ray emission in galaxy clusters and cosmic web filaments. We find CR proton acceleration and with that diffuse gamma-ray emission in all regions of the cosmic web. However, the obtained gamma-ray flux lies 3-4 orders of magnitude below the current upper limits obtained with Fermi-LAT. We discuss the impact of CR injection parameters and the performance of our on-the-fly shock finder on these results and find that the impact can be substantial. Future higher-resolution zoom-in simulations will be required to verify these results.

• 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: 25. Januar 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Lesch, Harald