Studying cosmic evolution with the XMM-Newton distant cluster project [Elektronische Ressource] : X-ray luminous galaxy clusters at z _531 1 and their galaxy populations / vorgelegt von Rene Fassbender

Rene Fassbender

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• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 34
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

Studying Cosmic Evolution with the
XMM-Newton Distant Cluster Project:
>X-ray Luminous Galaxy Clusters at z 1»
and their Populations
Dissertation der Fakult˜at fur˜ Physik
der Ludwig-Maximilians-Universit˜at Munc˜ hen
vorgelegt von
Rene Fassbender
aus Diez/Lahn
Munc˜ hen, Oktober 20071. Gutachter: Prof. Dr. Hans B˜ohringer
2. Gutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert
Tag der mundlic˜ hen Prufung:˜ 29. November 2007Dedicated to the memory of
Peter Schuecker
(1959{2006)Beobachtung Kosmischer Entwicklung mit dem
XMM-Newton Distant Cluster Project:
>R˜ontgenhelle Galaxienhaufen bei z 1 und ihre Galaxienpopulationen»
Zusammenfassung
>R˜ontgenhelle Galaxienhaufen bei hoher Rotverschiebung (z 1) erm˜oglichen einzigartige, aber»
herausfordernde, Untersuchungen der kosmischen Entwicklung dieser gr˜o…ten Objekte im Uni-
versum, der baryonischen Materie in Form des hei…en Haufengases (Intracluster Medium,
ICM), ihrer Galaxienpopulationen und des Ein usses der mysteri˜osen Dunklen Energie. Das
Hauptziel der vorliegenden Doktorarbeit ist das Erstellen der Datengrundlage fur˜ das XMM-
NewtonDistantClusterProject(XDCP).DieseneueHimmelsdurchmusterungimR˜ontgenlicht
konzentriert sich auf die systematische Suche und Identiflzierung von Galaxienhaufen bei den
>h˜ochsten Rotverschiebungen von z 1 mittels einer gezielten Vorauswahl von ausgedehnten»
R˜ontgenquellen, Nachbeobachtungen in zwei photometrischen B˜andern zum Nachweis und zur
Entfernungssch˜atzung der Objekte sowie der abschlie…enden spektroskopischen Best˜atigung.
Als ersten Schritt habe ich insgesamt 80 Quadratgrad (469 Felder) langbelichteter
R˜ontgenbeobachtungen aus dem XMM-Newton Datenarchiv mit einem neu entwickelten au-
tomatisierten Datenreduktionssystem analysiert. Damit konnte ich ann˜ahernd 1000 aus-
gedehnte Quellen als Galaxienhaufen-Kandidaten nachweisen, von denen sich 75% durch
<vorhandene optische Daten als Haufen und Gruppen bei z 0:6 identiflzieren lie…en. Die»
¡14 ¡1 ¡2verbleibenden ca. 250 Kandidaten mit typischen R˜ontgen ussen˜ von ’ 10 ergs cm
(0.5{2.0keV) erfordern weitere Schritte, um als entfernte Galaxienhaufen best˜atigt werden
zu k˜onnen.
Dafur˜ entwickelte ich eine neue Nahinfrarot-Beobachtungsstrategie, mit der sich die Iden-
tiflzierung der ausgedehnten R˜ontgenquellen mittels Z- und H-Band Aufnahmen e–zient
durchfuhren˜ l˜asst und die zur Rotverschiebungsabsch˜atzung anhand der Z{H Farbe der ‘Red-
Sequence’ der Fruh˜ typgalaxien dient. Um das Potential dieser Methode voll auszusch˜opfen,
konzipierteicheinneuesNahinfrarot-Datenverarbeitungsprogramm,mitdemdieNachbeobach-
tungenzweierKampagnenmitdem3.5m TeleskopdesCalarAltoObservatoriumsfur˜ 25%der
250 entfernten Galaxienhaufen-Kandidaten ausgewertet wurden. Anhand dieser Daten konnte
ich als erstes Hauptergebnis insgesamt mehr als 20 photometrisch best˜atigte Neuendeckungen
>von entfernten r˜ontgenhellen Galaxienhaufen bei z 0:9 nachweisen.»
Desweiteren hat es die neue Z{H Beobachtungsmethode erm˜oglicht, erstmalig eine
< <Galaxienhaufen-Stichprobe ub˜ er die gesamte Rotverschiebungsspanne von 0:2 z 1:5 zu» »
untersuchen. Durch den Vergleich der beobachteten Farbentwicklung der ‘Red-Sequence’
mit Entwicklungsmodellen konnte ich die Entstehungsepoche der Sternpopulationen der
Fruh˜ typgalaxien auf z =4:2§1:1 einschr˜anken und damit ihr hohes Alter best˜atigen. Einef
weitere Vorstudie ub˜ er die H-Band Leuchtkraftentwicklung von 63 hellsten Haufengalaxien
(Brightest Cluster Galaxies, BCGs) ub˜ er das gleiche Rotverschiebungsintervall erm˜oglichte es,
erstmals direkte Beobachtungshinweise dafur˜ zu liefern, dass sich die Masse der gr˜o…ten Gala-
xien im lokalen Universum seit z’1:5 mindestens verdoppelt hat. Mein vorl˜auflges Ergebnis,
dass nahe BCGs alte Sternpopulationen besitzen, ihre Masse aber erst zum Gro…teil ub˜ er die
letzten 9Milliarden Jahre angesammelt wurde, stimmt qualitativ mit den Vorhersagender mo-
dernsten Simulationen zur hierarchischen Galaxienentstehung und -entwicklung innerhalb des
theoretischen Standardmodells ub˜ erein. Die Best˜atigung und Verfeinerung dieser vorl˜auflgen
ErgebnissewerdenzurEntwicklungeinerwiderspruchsfreienBeschreibungkosmischerEntwick-
lung von Galaxienpopulationen und der gro…r˜aumigen Struktur beitragen.Studying Cosmic Evolution with the
XMM-Newton Distant Cluster Project:
>X-ray Luminous Galaxy Clusters at z 1 and their Galaxy Populations»
Abstract
>Investigating X-ray luminous galaxy clusters at high redshift (z 1) provides a challenging»
but fundamental constraint on evolutionary studies of the largest virialized structures in the
Universe, the baryonic matter component in form of the hot intracluster medium (ICM), their
galaxypopulations, andtheefiectsofthemysteriousDarkEnergy. Themainaimofthisthesis
workistoestablishtheobservationalfoundationfortheXMM-NewtonDistantClusterProject
(XDCP).ThisnewgenerationserendipitousX-raysurveyisfocusedonthemostdistantgalaxy
>clustersatz 1,basedontheselectionofextendedX-raysources,theiridentiflcationasclusters»
and redshift estimation via two-band imaging, and their flnal spectroscopic conflrmation.
2As a flrst step, I have analyzed 80deg (469 flelds) of deep XMM-Newton archival X-ray data
with a new pipeline processing system and selected almost 1000 extended sources as galaxy
<cluster candidates, 75% of which could be identifled as clusters or groups at z 0:6 using»
available optical data. This left about 250 candidates with typical 0.5{2.0keV X-ray uxes of
¡14 ¡1 ¡2»10 ergs cm in need of conflrmation as distant cluster sources.
Therefore, I have adopted a new strategy to e–ciently establish the nature of these extended
X-ray sources and estimate their redshifts, based on medium deep Z- and H-band photometry
and the observed Z{H ‘red-sequence’ color of early-type cluster galaxies. To fully exploit this
technique, I have designed a new near-infrared data reduction code, which was applied to the
data collected for 25% of the 250 distant cluster candidates in two imaging campaigns at the
3.5m telescope at the Calar Alto Observatory. As a flrst main result, more than 20 X-ray
>luminous clusters were discovered to lie at a photometric redshift of z 0:9.»
Furthermore, the new Z{H red-sequence method has allowed a cluster sample study over an
< <unprecedented redshift baseline of 0:2 z 1:5. From a comparison of the observed color» »
evolution of the cluster red-sequence galaxies with model predictions, I could constrain the
formation epoch of the bulk of their stellar populations as z = 4:2§ 1:1. This conflrmsf
the well-established old age of the stellar p of early-type galaxies in clusters. The
preliminary investigation of the H-band luminosity evolution of 63 brightest cluster galaxies
(BCGs)overthe sameredshift rangeprovidesforthe flrst time directobservationalindications
that the most massive cluster galaxies in the local Universe have doubled their stellar mass
since z ’ 1:5. My tentative flnding that nearby BCGs have old, passively evolving stellar
populations and were assembled in the last 9Gyr is in qualitative agreement with predictions
fromthelatestnumericalsimulationsbasedonthestandardcolddarkmatterscenarioofgalaxy
formation and evolution via hierarchical merging. The conflrmation and reflnement of these
preliminary results will contribute to the development of a consistent picture of the cosmic
evolution of galaxy populations and the large-scale structure.Contents
1 Introduction 1
2 Galaxy Clusters as Astrophysical Laboratories 3
2.1 General Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Clusters as Dark Matter Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 X-ray Properties of the Intracluster Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 Emission mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.2 ICM structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.3 ICM formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.4 Scaling relations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.5 Cool core clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.6 Sunyaev-Zeldovich efiect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 The Cluster Galaxy Population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Cluster versus fleld galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Formation of ellipticals and the cluster red-sequence . . . . . . . . . 20
2.4.3 Evolution and environmental efiects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Brightest cluster galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Galaxy Clusters as Cosmological Probes 29
3.1 Cosmological Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Dynamics of the expanding Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2 Distance measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Cosmic Structure Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Growth and collapse of density perturbations . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2 Galaxy cluster statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Cosmological Tests with Galaxy Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<