Diffuse radio emission at low frequencies in merging galaxy clusters

Drabent, Alexander GND

Extended diffuse radio features so-called radio halos radio relics and radio mini-halos are found in about 100 galaxy clusters. The radio emission originates from relativistic electrons suffering synchrotron losses in the magnetized intra-cluster medium. Little is known about the mechanisms how electrons in the intra-cluster medium get accelerated to relativistic energies. Observations at low radio frequencies permit the analysis of the distribution of the population of aged relativistic electrons. In this work we analyzed in the context of the WSRT 346 MHz Legacy Survey ten galaxy clusters with already known diffuse radio sources and yet unclassified sources. We confirm radio relics in three clusters radio halos in five clusters and classified a radio relic candidate as a radio galaxy. Furthermore we revealed radio features with remarkable morphology in the galaxy cluster Abell 2069. Abell 2069 is a complex merging galaxy cluster which shows two distinct X-ray peaks. The main cluster component evidently possesses a radio halo and the subcomponent exhibits ultra-steep spectrum diffuse radio emission of uncertain nature. We conducted follow-up observations on Abell 2069 with LOFAR in the frequency range from 120 to 180 MHz. We complemented our investigation of Abell 2069 with GMRT observations at 322 MHz and 608 MHz as well as with archival Chandra X-ray data. Our analysis confirms the presence of a radio halo in the main cluster component. Furthermore we classify the diffuse radio emission in the subcluster as radio mini-halo. We detected signatures of fossil plasma ejected during a former active phase of an Active Galactic Nuclei in the subcluster. A cold front in the subcomponent suggests the presence of internal gas sloshing which could have induced bulk motions and turbulence in the subcluster. Both mechanisms together may have redistributed and re-accelerated the fossil plasma and caused the diffuse radio emission.

Ausgedehnte diffuse Radioquellen, sogenannte Radiohalos, Radiorelikte und Radiominihalos sind bisher in ungefähr 100 Galaxienhaufen bekannt. Diese Radioquellen werden durch Synchrotronstrahlung der relativistischen Elektronen im Magnetfeld des Haufengases verursacht. Über die Beschleunigungsmechanismen der Elektronen auf relativistische Energien ist nur wenig bekannt. Beobachtungen bei niedrigen Radiofrequenzen ermöglichen es, Rückschlüsse auf die Verteilung der bereits gealterten relativistischen Elektronen zu ziehen. In dieser Arbeit wurden zehn Galaxienhaufen im Rahmen des WSRT 346 MHz Legacy Surveys untersucht. Mit der Himmelsdurchmusterung konten in den Galaxienhaufen drei Radiorelikte und fünf Radiohalos bestätigt werden. Desweiteren wurde bisher unklassifizierte diffuse Radioemission mit bemerkenswerter Morphologie in Abell 2069 entdeckt. Abell 2069 ist ein Galaxienhaufen, der aus zwei Komponenten besteht, die im Röntgenbereich ein jeweils eigenes Helligkeitsmaximum zeigen. In der Hauptkomponente des Galaxienhaufens ist ein Radiohalo sichtbar, während die zweite Teilkomponente eine ausgedehnte Radioemission unbekannten Ursprungs mit sehr steilem Spektrum aufweist. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit tiefe Beobachtungen dieses Galaxienhaufens mit LOFAR im Frequenzbereich von 120 bis 180 MHz und dem GMRT bei 322 MHz und 608 MHz durchgeführt. Durch die Analyse der Daten konnte der Radiohalo in der Hauptkomponente von Abell 2069 bestätigt und die Radioemission in der Teilkomponente als Radiominihalo klassifiziert werden. Dabei finden sich Hinweise für die Existenz fossilen Plasmas eines ehemalig aktiven galaktischen Kerns. Eine Diskontinuität im Haufengas ("cold front") der Teilkomponente deutet auf Schwappen des Haufengases ("gas sloshing") hin, das zu großräumiger Umverteilung von fossilem Plasma und Turbulenz führen kann. Dabei kann das fossile Plasma auf relativistische Energien beschleunigt werden.

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Drabent, Alexander: Diffuse radio emission at low frequencies in merging galaxy clusters. Jena 2017.

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