AGN-ICM interaction in nearby cool core clusters [Elektronische Ressource] : energetics and transport processes / vorgelegt von Aurora Simionescu

Simionescu, Aurora

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• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 5
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Extrait

AGN-ICMinteraction
innearbycoolcoreclusters:
energeticsandtransportprocesses
AuroraSimionescu
Munchen¨ 2009AGN-ICMinteraction
innearbycoolcoreclusters:
energeticsandtransportprocesses
AuroraSimionescu
Dissertation
an der Fakultat¨ fur¨ Physik
der Ludwig–Maximilians–Universitat¨
Munchen¨
vorgelegt von
Aurora Simionescu
aus Braila,˘ Rumanien¨
Munchen,¨ den 16. Marz¨ 2009Erstgutachter: Prof. Dr. Hans Bohringer¨
Zweitgutachter: Prof. Dr. Ortwin Gerhard
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 4. Juni 2009Contents
Zusammenfassung xv
Summary xvii
1 Introduction 1
1.1 Clusters of galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The cooling flow problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 AGN feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Chemical enrichment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.1 Type Ia supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.2 Core-collapse supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.3 Distribution of metals in cooling cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 The XMM-Newton observatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5.1 EPIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5.2 RGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Structure of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 The gaseous atmosphere of M87 seen with XMM-Newton 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Observations and data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Broad-band fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Spectral analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 Pressure and entropy maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Substructure in the M87 gas halo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Temperature and entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 Absence of a classical cooling-flow on smaller scale . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Motion of the galaxy to the NW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.3 Possible core oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.4 Large-scale correlation of the radio emission and entropy map . . . . . . 27
2.4.5 Ellipticity of the underlying dark matter potential . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.6 Heating of the ICM by weak shocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29vi CONTENTS
2.5 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Metal-rich multi-phase gas in M87 33
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Observations and data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Spectral models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Temperature structure of the M87 halo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.1 Two-temperature models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.2 The dierential emission measure model . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.3 Discussion of the temperature structure and physical feasibility of the
dierent models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.4 Discussion of the implications of multi-temperature structure for thermal
conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 The spatial distribution of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.1 Abundance maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.2 Metal abundance patterns of dierent elements in and outside the multi-
temperature regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 The properties of the cool gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6.1 The correlation between the amount of uplifted cool gas and metallicity . 47
3.6.2 The metallicity of the cool gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6.3 The mass of the cool gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.4 Discussion of the origin and uplift of the cool gas . . . . . . . . . . . . . 55
3.7 Constraints on possible non-thermal emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Chemical enrichment in the cluster of galaxies Hydra A 67
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 Observation and data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.1 EPIC analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.2 RGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.3 Spectral modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.1 Global spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.2 Radial profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.3 2D spectral properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.4 High resolution spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.1 Spectral eects of the multi-temperature structure . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.2 Radial distribution of the chemical elements and comparison with other
clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.3 ICM abundance patterns and supernova yield models . . . . . . . . . . . 88
4.4.4 The origin of the metal abundance peaks in Hydra A . . . . . . . . . . . 89
4.4.5 Gas uplift by the AGN and metal transport into the ICM . . . . . . . . . 93Contents vii
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5 The large-scale shock in the cluster of galaxies Hydra A 99
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2 Observation and data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Spectral modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 The shock geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5 1D shock model and Mach number estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.6 The temperature jump associated with the shock . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.7 Relative motions in the cluster and the shape of the shock front . . . . . . . . . . 110
5.7.1 Model cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.7.2 jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.7.3 Generation of bulk motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.7.4 Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.7.5 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.8.1 Comparison to observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.8.2 Eects of AGN activity on the temperature structure in the cluster core . 116
5.8.3 Alternative scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.9 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6 Conclusions 121
6.1 Mechanisms and energetics of AGN-ICM interaction . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 Sources of chemical enrichment and the transport of metals in the ICM . . . . . . 122
Acknowledgements 133
Curriculum Vitae 137viii ContentsList of Figures
2.1 M87 surface brightness map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Temperature map of M87 obtained from spectral analysis. . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Metal abundance map of M87 (single temperature spectral model). . . . . . . . . 18
2.4 Pressure and entropy radial profiles and corresponding smooth model . . . . . . 19
2.5 Entropy deviations from a smooth radially symmetric model. . . . . . . . . . . . 20
2.6 Pressure de from a . . . . . . . . . . . 21
2.7 deviations from an elliptical model (ratio). . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 Data and best-fit vmcflow model with fixed low-temperature cuto for the small-
scale low-temperature feature NW of the core. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.9 Data and best-fit two-temperature vmekal model for the small-scale low-temperature
feature NW of the core. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.10 Entropy (left) and pressure (right) deviations from a smooth radially symmetric
model overlaid with