Methods for detecting and characterising clusters of galaxies [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Björn Malte Schäfer

Schäfer Thomas, Björn Malte

Sujets

• Astronomie

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 12
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 17 Mo

Extrait

Dissertation zum Erlangen des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften
der Fakultät für Physik der Ludwig Maximilians Universität München
Max Planck Institut für Astrophysik
Methods for detecting and characterising
clusters of galaxies
vorgelegt von Björn Malte Schäfer aus Zweibrücken
München, 26.Jan.2005
Dissertation der Fakultät für Physik der
Ludwig Maximilians Universität MünchenBjörn Malte Schäfer:
Methods for detecting and characterising clusters of galaxies
Dissertation der Fakultät für Physik der Ludwig Maximilians Universität München
ausgeführt am Max Planck Institut für Astrophysik
Vorsitzende: Prof. Dr. Dorothee Schaile
1. Gutachter: Prof. Dr. Matthias Bartelmann
2. Gutachter: Prof. Dr. Simon D.M. White
Beisitzer: Dr. Hans Böhringer
Tag der mündlichen Prüfung: 06.Jun.2005Robert Frost:
On Looking Up By Chance At The Constellations
You’ll wait a long, long time for anything much
To happen in heaven beyond the floats of cloud
And the Northern Lights that run like tingling nerves.
The sun and moon get crossed, but they never touch,
Nor strike out fire from each other nor crash out loud.
The planets seem to interfere in their curves
But nothing ever happens, no harm is done.
We may as well go patiently on with our life,
And look elsewhere than to stars and moon and sun
For the shocks and changes we need to keep us sane.
It is true the longest drought will end in rain,
The longest peace in China will end in strife.
Still it wouldn’t reward the watcher to stay awake
In hopes of seeing the calm of heaven break
On his particular time and personal sight.
That calm seems certainly safe to last to night.Contents
1. Abstract 1
2. Introduction and motivation 3
3. Cosmology and cosmic structure formation 5
3.1. Friedmann Lemaître cosmological models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1.1. Cosmological principles and the Robertson Walker metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1.2. Cosmometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.3. Cosmic microwave background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2. Structure formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.1. Growth of density perturbations in cold dark matter models . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.2. Numerical simulations of cosmic structure formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3. Physics of clusters of galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3.1. Formation of clusters of galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3.2. Observational properties of clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4. PLANCK surveyor 21
4.1. Introduction to the PLANCK surveyor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2. PLANCK mission objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3. Instrument description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5. Construction of all sky thermal and kinetic Sunyaev Zel’dovich maps 23
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.2. Sunyaev Zel’dovich definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.3. Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.3.1. Hubble volume simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.3.2. Small scale SPH cluster simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.4. Sunyaev Zel’dovich map construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.4.1. SZ template map preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.4.2. Cluster selection and scaling relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.4.3. Projection onto the celestial sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.4.4. Completeness of the all sky SZ maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.5. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.5.1. Sky views . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.5.2. Distribution of angular sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.5.3.ution of the integrated thermal and kinetic Comptonisation . . . . . . . . . . . . . . 36
5.5.4. Distribution of Comptonisation per pixel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.5.5. Angular power spectra of the thermal and kinetic SZ effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.5.6. Source counts at PLANCK frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.6. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6. Microwave emission components of the Milky Way and the Solar system 45
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2. Sunyaev Zel’dovich definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3. Submillimetric observations with PLANCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
iContents
6.3.1. Beam shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3.2. Scanning strategy and noise equivalent maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.4. Foreground emission components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.4.1. Galactic dust emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.4.2. synchrotron emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4.3. Galactic free free emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4.4. CO lines from giant molecular clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4.5. Planetary submillimetric emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.4.6. Submillimetric emission from asteroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4.7. Future work concerning PLANCK’s foregrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.5. Simulating SZ observations by PLANCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.5.1. SZ map preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5.2. CMB map generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5.3. Preparation of simulation data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5.4. PLANCK channel correlation properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.6. Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7. Matched and scale adaptive multifiltering 65
7.1. Introduction: multi frequency optimised filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.1.1. Assumptions and definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.1.2. Concepts in filter construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1.3. Matched filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.1.4. Scale adaptive filter on the sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.1.5. Detection level and gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2. Optimised SZ filters for PLANCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.1. Numerical derivation of filter kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.2. Discussion of filter kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.3. Filter renormalisation and synthesis of likelihood maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.3. Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8. Properties of PLANCK’s SZ cluster sample 81
8.1. Simulation setup and peak extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.1.1. Filter construction and synthesis of likelihood maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.1.2. Morphology of SZ clusters in filtered sky maps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.1.3. Peak extraction and cluster identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.2. Noise properties and peak statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.2.1. Noise in the filtered and co added maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.2.2. Detection significances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.3. Clu