The XMM-BCS galaxy cluster survey [Elektronische Ressource] / Róbert Šuhada. Betreuer: Hans Boehringer

Suhada, Henry M. Robert

Sujets

• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

The XMM-BCS galaxy cluster survey
ˇRo´bert Suhada
¨Munchen 2011The XMM-BCS galaxy cluster survey
ˇRo´bert Suhada
Dissertation
an der Fakulta¨t fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universita¨t
Mu¨nchen
vorgelegt von
ˇRo´bert Suhada
ˇaus Kosice, Slowakei
¨ ¨Munchen, den 25. Marz 2011Erstgutachter: Prof. Dr. Hans Bo¨hringer
Zweitgutachter: Prof. Dr. Ortwin Gerhard
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 22. Juli 2011Contents
Zusammenfassung xiii
Abstract xv
1 Introduction 1
2 Clusters of galaxies 3
2.1 Dark matter content of galaxy clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 The intracluster medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 X-ray properties of clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Spatial distribution of the cluster X-ray emission . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Cool cores and AGN feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.4 X-ray scaling relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.5 Self-similar scaling relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.6 The Sunyaev-Zel’dovich effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 The galaxy population of the clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Brightest cluster galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 The cluster red sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3 The galaxy luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4 Optical cluster detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Overview of cluster review papers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Tracing cosmic evolution with clusters of galaxies 29
3.1 Structure formation in the Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Cluster mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Survey number counts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Cluster power spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Other cosmological tests with clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.1 Angular distance Hubble diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.2 The gas mass fraction cosmological test . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39vi CONTENTS
4 Analysis of the XMM-Newton survey data 41
4.1 Overview of the XMM-Newton mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Elements of X-ray analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 X-ray mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.2 Point spread function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.3 Effective area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.4 CCD detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.5 X-ray imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Mosaic mode observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 Overheads in standard observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.2 The structure of a mosaic mode observation . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4 Analysing mosaic mode observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.1 Single piece mosaic handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.2 Splitting mosaic into individual pointings . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5 The XMM-BCS galaxy cluster survey 59
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 XMM-Newton data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 Source detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.1 Source list generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3.2 Growth curve analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3.3 Physical parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 Photometric redshift estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.1 Spectroscopic redshifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.1 Galaxy cluster sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.2 Survey sky-coverage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.5.3 Cluster log N− log S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5.4 Comparison of spectroscopic and photometric redshifts . . . . . . . . . . 84
5.5.5 Cross-correlation with known sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5.6 Cross-correlation with the Southern Cosmology Survey clusters . . . . . 86
5.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.6.1 Error budget of the X-ray analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.6.2 Project outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.8 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.8.1 Quality flags and ancillary information . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.8.2 Notes on individual sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.8.3 Test of sensitivity function from preliminary Monte Carlo simulations . . 106
5.8.4 Comparison with the XMM-LSS survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107CONTENTS vii
6 XMM-Newton detection of two clusters with strong SPT SZE signals 113
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2 XMM-Newton data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.1 XMM-Newton mosaic mode observations . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.2 X-ray data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.3 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7 Exploring the galaxy cluster-group transition regime at high redshifts 123
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2 Observations and data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.1 Initial X-ray detection with XMM-Newton . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.2 Optical/Near-infrared observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.2.3 Growth curve analysis of the X-ray imaging data . . . . . . . . . . . . . 136
7.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.3.1 Physical properties of the clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.3.2 The nature of the X-ray emission of XMMU J1532.2-0836 . . . . . . . . 140
7.3.3 The galaxy population of the clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.3.4 Cross-correlation with known sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.5 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.5.1 XMMU J0302.1-0000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.5.2 High redshift cluster detections in the past decade . . . . . . . . . . . . . 150
8 Summary and outlook 153
8.1 Conclusions of the analysis of two z > 1 systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.2 Summary of the X-ray of the XMM-BCS survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8.3 Outlooks for the XMM-BCS survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Bibliography 159
Acknowledgements 187
Curriculum Vitae 188viii CONTENTSList of Figures
2.1 Growth of entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 The large-scale structure of the Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 The Bullet Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Cluster X-ray spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 AGN feedback in cluster cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 The inverse Compton scattering kernel and the SZE spectrum . . . . . . . . . . . 19
2.7 SZE and X-ray comparison of three clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.8 Abell 2218 and the CMD of XMMU J2235-2557 . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.9 Schechter galaxy luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1 Comparison of mass functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Mass function in the Millenium Run simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Cosmological constraints from cluster number counts . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 The REFLEX II power spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Angular distance Hubble diagram and f test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38gas
4.1 XMM-Newton and its effective area