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On the Diffuse Non-thermal Emission from Galaxy Clusters [Elektronische Ressource] / Julius Donnert. Betreuer: Harald Lesch

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On the Diffuse Non-thermal Emissionfrom Galaxy ClustersJulius DonnertMunc¨ hen 2011On the Diffuse Non-thermal Emissionfrom Galaxy ClustersJulius DonnertDissertationan der Fakul¨at fu¨r Physikder Ludwig–Maximilians–Universit¨atMunc¨ henvorgelegt vonJulius Donnertaus BraunschweigMunc¨ hen, den 8. Juni 2011Erstgutachter: Prof. Dr. H. LeschZweitgutachter: Prof. Dr. H. ZohmTag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 21. Juli 2011”Shine on you crazy diamond.”- (Pink Floyd, 1975)viContentsSummary xviiZusammenfassung xix1 Introduction 11.1 Historical Perspective: 1957 - 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Recent Developments: 2000 - 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Motivation and Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Phenomenology 92.1 Thermal Properties of Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1 Turbulence in Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Magnetic Fields in Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1 Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 Observations of Radio Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3.1 Known Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3.2 The Coma Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3.

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Published 01 January 2011
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Language English
Document size 28 MB

On the Diffuse Non-thermal Emission
from Galaxy Clusters
Julius Donnert
Munc¨ hen 2011On the Diffuse Non-thermal Emission
from Galaxy Clusters
Julius Donnert
Dissertation
an der Fakul¨at fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Munc¨ hen
vorgelegt von
Julius Donnert
aus Braunschweig
Munc¨ hen, den 8. Juni 2011Erstgutachter: Prof. Dr. H. Lesch
Zweitgutachter: Prof. Dr. H. Zohm
Tag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 21. Juli 2011”Shine on you crazy diamond.”
- (Pink Floyd, 1975)viContents
Summary xvii
Zusammenfassung xix
1 Introduction 1
1.1 Historical Perspective: 1957 - 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Recent Developments: 2000 - 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Motivation and Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Phenomenology 9
2.1 Thermal Properties of Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Turbulence in Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Magnetic Fields in Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Observations of Radio Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Known Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 The Coma Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.4 Scaling Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.5 Power Ratio, P −L Correlation and Bimodality . . . . . . . . . 3014 X
2.3.6 Ultra-Steep Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 γ-ray Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Other Non-Thermal Emission in Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.1 Radio Relics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.2 Radio Mini Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Theoretical Considerations 37
3.1 Emission and Loss Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Coulomb losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.2 Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3 Inverse Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.4 γ-ray Radiation from Hadronic CRp Interaction . . . . . . . . . . . 48viii CONTENTS
3.2 The Cooling Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Cosmic Ray Transport Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.1 The Classical Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.2 The Modern Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 The Reacceleration Coefficient D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57pp
3.5 Reacceleration Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Secondary/Hadronic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.1 Basic Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.2 The Simple Hadronic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.3 Steady State Spectrum in the High Energy Approximation . . . . . 64
3.7 The Intra-Cluster Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.7.1 Extending our View of the ICM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 Preamble to the Papers 71
4.1 Reacceleration Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 10 Years of Hadronic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 Dolag & Ensslin (2000) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.2 Miniati et al. (2001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.3 Ensslin et al. (2007) and Others . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.4 Kushnir et al. (2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.5 Keshet & Loeb (2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Radio Halos From Hadronic Models I: The Coma cluster 79
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 The Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Secondary Electrons in Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 The Radio Halo of Coma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.1 Radial Profile and Cosmic-Ray Energy Budget . . . . . . . . . . . . 87
5.4.2 The Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5 γ-ray Spectrum and Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.7 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Radio Halos From Hadronic Models II: The Scaling Relations 95
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.1 Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.2 Magnetic Fields from Galactic Outflows . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3 Modelling Hadronic Secondary Electrons in Clusters . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.1 Synchrotron Emission from Secondary Models . . . . . . . . . . . . 101
6.3.2 γ-rays from Hadronic Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.3 The Three Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4 Application to the Cluster Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Table of Contents ix
6.4.1 The Magnetic Field in our Cluster Set . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.4.2 Radial Profile of the Radio Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.4.3 Morphology of the Radio Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.4.4 Scaling Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.5 γ-ray Emission from Simulated Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.7 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.8 Additional Scaling Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.8.1 X-ray luminosity - Temperature relation . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.8.2 Radio luminosity - Temperature relation . . . . . . . . . . . . . . . 130
7 Reacceleration of Cosmic Ray Electrons in Cluster Mergers 131
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.2 Local Turbulence in SPH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2.1 Simulations of Idealised Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.3 Particle Acceleration Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.4 Fokker-Planck Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.4.1 Numerical Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.4.2 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.4.3 Hard Sphere Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4.4 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.5 Synchrotron Solver and Map Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.6 Cluster Merger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.6.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.6.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.8 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8 Conclusions and Outlook 165
Acknowledgements / Danksagung 193x Table of Contents