Studying magnetic turbulence with radio polarimetry [Elektronische Ressource] / vorgelegt von André Henri Waelkens

Andre Waelkens

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 23
• Langue: English
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Extrait

Ludwig Maximilians Universit at¨
Sigillum Universitatis Ludovici Maximiliani
Studying magnetic turbulence with
radio polarimetry
Dissertation der Fakultat¨ fur¨ Physik
Dissertation of the Faculty of Physics
der Ludwig Maximilians Universit at¨ Munchen¨
at the Ludwig Maximilian University of Munich
¨fur den Grad des
for the degree of
Doctor rerum naturalium
vorgelegt von Andre´ Henri Waelkens
presented by
aus Sao˜ Paulo, SP (Brasilien)
from
Munchen,¨ 19.03.2009Sigillum Universitatis Ludovici Maximiliani
1. Gutachter: Prof. Dr. Simon D. M. White
referee:
2. Gutachter: Prof. Dr. Hans Bohringer¨
referee:
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 05.06.2009
Date of the oral exam:Fortunate is he who has been able to learn the causes of things.
VirgilContents
Contents 1
Zusammenfassung 9
Abstract 11
1 Introduction 13
1.1 Cosmic plasma everywhere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.1 Magnetised ICM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.2 ISM of the Milky Way and other galaxies . . . . . . . . . . 16
1.2 Target Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 Magnetic field topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2 Turbulent magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 Observational methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1 Dispersion measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 Faraday rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.3 Synchrotron radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.4 Polarised dust emission and extinction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.5 The Sunyaev Zeldovich eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4 Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Probing turbulence with the Stokes correlators 29
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 Ideal magneto hydro dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Flux freezing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 MHD Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
12.3 Motivating the tension force power spectrum estimator. . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Assumptions: Homogeneity and Isotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.3 Observables: Stokers Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.4 From Stokes Correlators to Magnetic Field Statistics . . . . . . . . . . . 40
2.4.5 The consequences of isotropy on correlation functions . . . . . . . . . . 42
2.4.6 Tension Force Power Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.7 Case of Weak Mean Field: Observing the Magnetic Field Power Spectrum 47
2.5 Numerical Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.1 Case of p = 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.2 Case of p, 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6 Chapter conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 The Hammurabi code 57
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Previous work on Galactic magnetized ISM modeling . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 Magnetised ISM tracers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.1 Faraday rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.2 Synchrotron emission, total and polarised . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.3 Free free scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.4 UHECR propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.1 Inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5.2 Synchrotron and RM outputs: comparison with observations . . . . . . . 67
3.5.3 Additional studies with hammurabi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.4 Helicity in the ISM? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.5 UHECR deflection outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6 Chapter conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774 The Sunyaev Zeldovich eect as a CMB foreground 79
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 The Sunyaev Zeldovich eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1 Order of magnitude estimate of the galactic kinematic SZ eect . . . . . 82
4.3 Polarisation due to Thomson scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.1 Estimating the relevance of the polarised signal . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.1 The code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.2 Constructing the kSZ map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.3 the polarised Thomson scattering maps . . . . . . . . . . . 85
4.5 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.1 Filtering on simulated data: galactic kSZ . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.2 Filtering on data: the B mode signal . . . . . . . . . . . . . . 91
4.6 Chapter Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Conclusion 93
5.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
A Stokes correlators 99
A.1 Synchrotron emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
A.2 Fourth Order Correlation Tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
A.2.1 Symmetries and the General Form of C . . . . . . . . . . . . . . . . 101i j;mn
A.2.2 Observables in the Case of Zero Mean Field . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.2.3 Observables in the Case of Weak Mean Field . . . . . . . . . . . . . . . 110
B Operations with spherical harmonics 117
B.1 Filter derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
B.2 Rotating spherical harmonic coecients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
C Technical details of the Hammurabi code 121
C.1 The 3D HEALPix grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
C.2 Line of sight integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122C.3 Magnetic field models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
C.3.1 Tinyakov and Tkachev model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.3.2 The Harari model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.3.3 The Jansson model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
C.3.4 The Aumont model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Acknowledgements 127