Astrophysical applications of scattering in interstellar and intracluster gases [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Conrad K. Cramphorn

Conrad K. Cramphorn

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• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 7
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Astrophysical Applications of
Scattering in Interstellar and
Intracluster Gases
Conrad K. Cramphorn
Munchen 2004?Astrophysical Applications of
Scattering in Interstellar and
Intracluster Gases
Conrad K. Cramphorn
Dissertation
an der Fakult?at fur? Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit?at
Munchen?
vorgelegt von
Conrad K. Cramphorn
aus Dundee in Schottland
Munc? hen, den 12. Mai 2004Erstgutachter: Prof. Dr. Rashid A. Sunyaev
Zweitgutachter: Prof. Dr. Ralf Bender
Tag der mundlichen Prufung: 24. November 2004? ?Fur meine Eltern?Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung (Summary in German) 3
Summary 5
1 Introduction 9
1.1 Diffuse Gas in the Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Supermassive Black Holes in the Centres of Galaxies . . . . . . . . 11
⁄1.2.1 Sgr A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 M31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3 M87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Relativistic Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Clusters of Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 The Sunyaev-Zel’dovich Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 The X-ray luminosity of the Galactic centre in the recent past 21
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 X-ray Archaeology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 GMCs in the Galactic disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 Scattered flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
⁄2.3 LimitsontheX-rayluminosityofSgrA fromGiantMolecularClouds 35
2.3.1 Response of a single cloud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Response of one field of view . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3 Response of all fields of view containing at least one GMC . 43
⁄2.4 Limits on the X-ray luminosity of Sgr A from the interstellar HI
distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 The Milky Way at extragalactic distances . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.1 Scattered X-ray surface brightness . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5.2 X-ray luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.3 Fluorescent iron K -line luminosity . . . . . . . . . . . . . . 62fi
2.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1Inhaltsverzeichnis
3 Constraining the past X-ray luminosity of AGN in clusters of galaxies 65
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2 Advantage of scattered X-ray lines over the scattered continuum . . 69
3.3 AGN in the centre of a beta-cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.1 Approximation of isotropic scattering . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 Continuum radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.3 Resonance lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4 Numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.1 M87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.2 Cygnus A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 Scattering in the vicinity of relativistic jets 103
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 The model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.1 Single ejection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2 Multiple ejections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4 Application to M87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4.2 Constraints on the jet parameters . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5 A correlation between the SZ decrement and the Thomson depth 139
5.1 Scaling relations for clusters of galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2 The SZ decrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.3 Scaling relation for gas distributed similarly to dark matter . . . . . 141
5.4 Isothermal gas in a NFW dark matter potential . . . . . . . . . . . 144
5.5 Clusters with observed SZ decrements . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.6 SZ decrement and Thomson depth for simulated clusters . . . . . . 145
5.7 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6 Concluding remarks 151
References 156
2Zusammenfassung
DieseArbeitbefaßtsichmitastrophysikalischenAnwendungenvonStreuprozessen
in diffusen Gasen innerhalb von Galaxien bzw. Galaxienhaufen. Anhand von ak-
tuellen Beobachtungsdaten wird versucht, Aussagen uber die zuruckliegende Ent-? ?
wicklung der Leuchtkraft von astrophysikalischen Objekten, wie supermassiven
schwarzen Lochern und relativistischen Jets, zu gewinnen, die innerhalb dieser?
diffusen Gase Strahlung erzeugen. Die im Rahmen dieser Arbeit relevanten physi-
kalischen Eigenschaften dieser Objekte sind in Kapitel 1 zusammengestellt.
In Kapitel 2 werden Aussagen ub? er die Ron? tgenleuchtkraft des supermassiven
⁄schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße, Sgr A , wahrend? ungefahr? der letz-
ten einhunderttausend Jahre hergeleitet. Hierzu werden die Ergebnisse großflachi-?
gerRon? tgenbeobachtungenentlangdergalaktischenEbenemitdenmittelsRadio-
beobachtungenvonMolekulwolkeninnerhalbdergalaktischenScheibegewonnenen?
Ergebnissen kombiniert.
In Kapitel 3 wird der Frage nachgegangen, inwieweit sich ahnliche Aussagen?
ub? er die in der Vergangenheit liegende R?ontgenleuchtkraft eines supermassiven
schwarzen Lochs gewinnen lassen, das im Zentrum einer elliptischen Galaxie oder
einesGalaxienhaufensvorhandenist.Hierbeiwirdinsbesonderediekontinuierliche
Streuung an freien Elektronen sowie die Streuung in Resonanzlinien analytisch als
auch numerisch unter Verwendung von Monte-Carlo Methoden untersucht.
In Kapitel 4 wird eine anisotrop abstrahlende Strahlungsquelle angenommen,
mittels der das von relativistischen Jets erzeugte Strahlungsfeld simuliert wird.
Dieses Modell wird auf den relativistischen Jet der aktiven Galaxie M87 ange-
wandt, um Aussagen uber den Neigungswinkel dieses Jets relativ zu der Sichtlinie?
und ub? er den Lorentzfaktor der in diesem Jet str?omenden Materie zu gewinnen.
In Kapitel 5 wird eine Korrelation zwischen dem durch den Sunyaev-Zel’dovich
Effekt hervorgerufenen Intensit?atsdekrement der kosmischen Hintergrundstrah-
lung in Richtung eines Galaxienhaufens und der Thomsondicke des diffusen Gases
innerhalb dieses hergeleitet, die im Rahmen von numerischen Si-
mulationen der Strukturbildung dunkler Materie aufgefunden worden ist.
Kapitel 6 schließt die Arbeit mit einer zusammenfassenden Wurdigung der Er-?
gebnisse der vorhergehenden Kapitel.
3Zusammenfassung
4