The birth of cosmic structures as revealed by observations in the (sub-)mm bands

Marrewijk, Joshiwa van (2024): The birth of cosmic structures as revealed by observations in the (sub-)mm bands: characterizing the first galaxies and galaxy clusters. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The physics of gravitational instability — which links primordial density fluctuations to the formation of cosmic structures — provides the foundations for the theory of galaxy and cluster evolution. However, providing a sound description of the fate of baryons that reside within large gravitational potential wells has proven challenging. With this thesis, I contribute to the field of large-scale structure growth by focusing on (sub-)mm observations of the most massive gravitationally bound objects formed at two distinct epochs. The work is divided into three parts, of which the following are the results: 1) Regarding my work on the epoch of reionization galaxies, I developed a novel method that creates noise realizations from interferometric data, enabling a proper quantification of the likelihood of false detection. Based on this analysis, I however found no robust detection of a line in any of the z>10 galaxy candidates observed with the Atacama Large Millimeter/Sub-millimeter Array (ALMA). 2) Regarding my work on the birth of galaxy clusters, by forward modeling parametric pressure profiles to ALMA and Atacama Cosmology Telescope (ACT) data, I mapped the forming intracluster medium (ICM) from the core to the virial radius in the most distant galaxy cluster — XLSSC 122 — detected in wide-field SZ survey data. XLSSC 122 exhibits an excess of SZ flux in the south of the cluster (where no X-ray emission is detected). This flux can be attributed to an infalling group or filamentary-like structure that is believed to boost and thermalize the gas while the density is still low. 3) Regarding the last work I conducted during my PhD, I developed a novel simulation tool named maria used for forecasting bolometric single-dish observations. The tool is key to analyzing how different instrument and telescope designs impact the ability to mitigate atmospheric corruption and filtering effects that challenge these types of observations. Furthermore, I used maria to make realistic forecasts of the ICM in galaxy clusters for current and future facilities to determine how well we can study calorimetry. My work highlights that pushing (sub-)mm observations of galaxies and clusters to the redshifts where they form is challenging. All ALMA observations targeting z>10 galaxy candidates resulted in non-detections, leaving estimates of the local interstellar medium conditions and the number density of ionizing photons unconstrained. Furthermore, while the analysis of XLSSC 122 provides valuable insights into the mechanism driving the thermalization of this cluster, this cluster itself is rather unique; it is the only SZ-selected and optically confirmed cluster detected at z=2. Additionally, my work shows no significant radio or (sub-)mm contamination to the SZ effect, so it may not be a good representative for other clusters at similarly high redshifts. Nevertheless, the work I present here demonstrates important first steps in the initial characterization of the first galaxies and galaxy clusters and improves upon the set of tools available to study them, both from an observational and simulation perspective. Regarding the latter, maria will be crucial for next-generation (sub-)mm experiments, like AtLAST, to forecast resolved SZ measurements and optically unbiased line surveys to find high-z galaxies. These forecasts can then be directly linked to instrument and telescope design specifications, setting the stage for the future of (sub-)mm observations on cosmic structure growth.

Abstract

Die Physik der gravitativen Instabilität – die die primordiale Dichteschwankungen mit der Entstehung kosmischer Strukturen verbindet – bildet die Grundlage für die Theorie der Galaxien- und Haufenevolution. Allerdings gestaltet sich die Beschreibung des Verhaltens von Baryonen, die in großen gravitativen Potentialtöpfen verweilen, als herausfordernd. Mit dieser Dissertation trage ich zum Verständnis des Wachstums von Strukturen im Universum bei, indem ich mich auf (sub-)mm-Beobachtungen der massereichsten gravitativ gebundenen Objekte konzentriere, die zu zwei unterschiedlichen Epochen entstanden sind. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert, aus denen sich folgende Ergebnisse ergeben: 1) Im Hinblick auf meine Arbeit an Galaxien der Epoche der Reionisation habe ich eine neuartige Methode entwickelt, die Rauschrealisierungen aus interferometrischen Daten erzeugt und eine geeignete Quantifizierung der Wahrscheinlichkeit falscher Entdeckungen ermöglicht. Basierend auf dieser Analyse konnte ich jedoch keine robuste Detektion einer Linie in einem der z>10-Galaxienkandidaten finden, die mit dem Atacama Large Millimeter/Sub-millimeter Array (ALMA) beobachtet wurden. 2) Im Hinblick auf meine Arbeit zur Entstehung von Galaxienhaufen habe ich durch Vorwärtsmodellierung parametrischer Druckprofile basierend auf ALMA- und Atacama Cosmology Telescope (ACT)-Daten das sich bildende intrakluster Medium (ICM) vom Kern bis zum Virialradius des am weitesten entfernten Galaxienhaufens – XLSSC 122 – kartiert, der in SZ-Daten einer Weitfeldstudie entdeckt wurde. XLSSC 122 weist im Süden des Haufens, wo keine Röntgenemission detektiert wird, einen Überschuss an SZ-Fluss auf. Dieser Fluss kann einem einfallenden Galaxiengruppe oder einer filamentartigen Struktur zugeschrieben werden, die vermutlich das Gas verdichtet und thermalisiert, während die Dichte noch gering ist. 3) Bei der letzten Arbeit, die ich während meiner Promotion durchgeführt habe, entwickelte ich ein neuartiges Simulationswerkzeug namens Maria, das zur Vorhersage bolometrischer Einzelspiegelbeobachtungen verwendet wird. Dieses Werkzeug ist entscheidend für die Analyse, wie sich verschiedene Instrumenten- und Teleskopdesigns auf die Fähigkeit auswirken, atmosphärische Störungen und Filtereffekte zu reduzieren, die diese Art von Beobachtungen erschweren. Darüber hinaus habe ich Maria verwendet, um realistische Vorhersagen des ICM in Galaxienhaufen für aktuelle und zukünftige Beobachtungseinrichtungen zu erstellen, um zu bestimmen, wie gut wir die Kalorimetrie untersuchen können. Meine Arbeit zeigt, dass (sub-)mm-Beobachtungen von Galaxien und Haufen bei den Rotverschiebungen, bei denen sie entstehen, herausfordernd sind. Alle ALMA-Beobachtungen von z>10-Galaxienkandidaten führten zu Nicht-Detektionen, wodurch die Schätzungen der lokalen interstellaren Materiebedingungen und die Anzahl ionisierender Photonen unbestimmt bleiben. Während die Analyse von XLSSC 122 wertvolle Einblicke in den Mechanismus der Thermalisierung dieses Haufens bietet, ist dieser Haufen selbst eher einzigartig; er ist der einzige SZ-selektierte und optisch bestätigte Haufen, der bei z=2 entdeckt wurde. Darüber hinaus zeigt meine Arbeit keine signifikante Radio- oder (sub-)mm-Kontamination des SZ-Effekts, sodass er möglicherweise kein guter Vertreter für andere Haufen bei ähnlich hohen Rotverschiebungen ist. Nichtsdestotrotz zeigt die hier präsentierte Arbeit wichtige erste Schritte bei der anfänglichen Charakterisierung der ersten Galaxien und Galaxienhaufen und verbessert das Werkzeugset, das sowohl für die Beobachtung als auch für die Simulation dieser Objekte zur Verfügung steht. In Bezug auf Letzteres wird Maria entscheidend für die nächsten Generationen von (sub-)mm-Experimenten wie AtLAST sein, um aufgelöste SZ-Messungen und optisch unverfälschte Liniensuchen zur Entdeckung von Galaxien bei hohen Rotverschiebungen vorherzusagen. Diese Vorhersagen können direkt mit den Spezifikationen von Instrumenten und Teleskopdesigns verknüpft werden und ebnen den Weg für die Zukunft von (sub-)mm-Beobachtungen zum Verständnis des Wachstums kosmischer Strukturen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Sub-mm, ALMA, ACT, Galaxies, Galaxy Clusters, Simulators
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 7. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Komatsu, Eiichiro