Radio Relics : joint analysis of surveys and simulations

Gelszinnis, Jakob GND

We present the compilation of a homogeneous sample and analysis of radio relics found in actual and mock sky surveys at 1.4 GHz. We aim at setting constraints on the physics of CR electrons and the magnetic fields in the ICM. As the observational data, we compile an updated catalog of radio relics found in the NRAO VLA Sky Survey. For the synthetic sky survey, we improve the scheme that we developed in (Nuza et al., 2017, MNRAS) by considering the amplification of magnetic fields through shock compression and a more careful consideration of the survey incompleteness towards compact radio relics. We investigate the synchrotron emission model of (Hoeft & Brueggen, 2007, MNRAS) - corresponding to DSA of electrons of ICM electrons from the thermal pool. We are the first to present the results of a likelihood-free parameter inference on ICM properties with approximate Bayesian computation. This approach is based on ranking samples of synthetic sky surveys against the observational data, each trial with an individual set of model parameters. While considerable agreement in detection counts and power-size distribution can be reached, observed relics tend to be farther away and have on average steeper integrated spectral index than their simulated counterparts for all reasonable parameter sets. The estimated fraction of thermalized shock energy put into electrons by the DSA mechanism is log10(xi_e) = 5.0 +- 0.2 at an \ICM magnetic field strength of log10(B_0/ÎŒG) = (1.4 +- 0.7) + 0.53^{+0.40}_{-0.49} log10(n_e/10^-4cm-3). The model also suggests that half the relics above a flux density of 3.6 mJy are yet undiscovered. Lastly, we show that an expansion of the modeling including a population of pre-existing CR-electrons in the ICM does not significantly improve the match between model and data. Our work demonstrates how sky surveys and cosmological simulations can be used to infer model parameters; radio relic surveys to study particle acceleration in the ICM.

Wir prĂ€sentieren eine homogene Zusammenstellung und Analyse von Radiorelikten in durchgefĂŒhrten und synthetischen Himmelsdurchmusterungen bei 1.4 GHz. Unser Ziel ist es, die Physik der kosmischen Strahlung und die magnetischen Eigenschaften des Haufengases (engl. intracluster medium, ICM) zu bestimmen. Als Datenbasis stellen wir einen aktualisierten Katalog von Radiorelikten innerhalb der NRAO VLA Sky Survey (Condon et al., 1998) zusammen. FĂŒr die synthetische Himmelsdurchmusterung verbessern wir den von uns in Nuza et al. (2017) entwickelten Ansatz, indem wir die VerstĂ€rkung von Magnetfeldern durch Stoßkompression und die UnvollstĂ€ndigkeit der Durchmusterung gegenĂŒber kompakten Radiorelikten sorgfĂ€ltiger betrachten. Wir untersuchen das Synchrotronemissionsmodell von Hoeft and BrĂŒggen (2007), welches diffuse Stoßbeschleunigung (engl. diffusive shock acceleration, DSA) von thermischen Elektronen des Haufengases beschreibt. Wir fĂŒhren erstmals eine likelihood-freie ParameterabschĂ€tzung der Eigenschaften des Haufengases mittels einer Approximativen Bayesianischen Berechnung durch. Diese AbschĂ€tzungsmethode basiert auf dem AuswĂ€hlen von synthetischen Himmelsdurchmusterungen nach grĂ¶ĂŸtmöglicher Ähnlichkeit zu den Beobachtungsdaten. WĂ€hrend eine deutliche Übereinstimmung in DetektionshĂ€ufigkeit und Leuchtkraft- GrĂ¶ĂŸenverteilung von Relikten erzielt werden kann, tendieren beobachtete Relikte weiter zur Peripherie der Galaxienhaufen und weisen ein im Mittel steileres Spektrum auf. Der geschĂ€tzte Anteil der thermalisierten Stoßwellenenergie, welcher durch DAS in die Elektronen fließt, ist log10(𝜉e) = 5.0 ± 0.2 bei MagnetfeldstĂ€rken des Haufengases von log10(đ”0∕ 𝜇G) = 1.4+0.7 −0.7 + 0.53+0.40 −0.49 log10(𝑛e∕10−4 cm−3). Das Modell lĂ€sst darauf schließen, dass die HĂ€lfte der Relikte mit spektralen Flussdichten ĂŒber 3.6 mJy noch unentdeckt ist. Zuletzt zeigen wir, dass eine Erweiterung des Modells mit bereits vorhandenen hoch-relativistischen Elektronen im Haufengas die Übereinstimmung mit der Datenbasis nicht signifikant verbessert. Unsere Arbeit zeigt, wie die Kombination von Himmelsdurchmusterungen und kosmologischen Simulationen zur Modellbildung genutzt werden kann, Radiorelikte im Speziellen fĂŒr Modelle der Teilchenbeschleunigung und Magnetfelder im Haufengas.

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Gelszinnis, J., 2020. Radio Relics: joint analysis of surveys and simulations. Jena. https://doi.org/10.22032/dbt.45585
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