Radio halos in a mass-selected sample of galaxy clusters

A fraction of galaxy clusters host Mpc-scale Radio Halos (RH), generated by ultrarelativistic electrons in the magnetized intra cluster medium (ICM). In the current view they trace turbulent regions in merging clusters, where relativistic particles are trapped and accelerated. This model has clear expectations about the statistical properties of RHs. To test these expectations large mass-selected samples of galaxy clusters with adequate radio and X-ray data are necessary. We used the Planck SZ cluster catalogue as suitable starting point of our investigation, selecting clusters with M500>6x10^14 Msun at 0.08clusters at z<0.2 and with the Extended GMRT RH Survey for 0.2clusters with RH with the mass of the parent cluster and show that this increase is in line with statistical calculations based on the re-acceleration scenario. We confirm earlier findings that RHs are exclusively found in merging systems.

Constraining mass and shape of galaxy clusters through large scale structures

The mass estimation of galaxy clusters is a crucial point for modern cosmology, and can be obtained by several different techniques. In this work we discuss a new method to measure the mass of galaxy clusters connecting the gravitational potential of the cluster with the kinematical properties of its surroundings. We explore the dynamics of the structures located in the region outside virialized cluster, We identify groups of galaxies, as sheets or filaments, in the cluster outer region, and model how the cluster gravitational potential perturbs the motion of these structures from the Hubble fow. This identification is done in the redshift space where we look for overdensities with a filamentary shape. Then we use a radial mean velocity profile that has been found as a quite universal trend in simulations, and we fit the radial infall velocity profile of the overdensities found. The method has been tested on several cluster-size haloes from cosmological N-body simulations giving results in very good agreement with the true values of virial masses of the haloes and orientation of the sheets. We then applied the method to the Coma cluster and even in this case we found a good correspondence with previous. It is possible to notice a mass discrepancy between sheets with different alignments respect to the center of the cluster. This difference can be used to reproduce the shape of the cluster, and to demonstrate that the spherical symmetry is not always a valid assumption. In fact, if the cluster is not spherical, sheets oriented along different axes should feel a slightly different gravitational potential, and so give different masses as result of the analysis described before. Even this estimation has been tested on cosmological simulations and then applied to Coma, showing the actual non-sphericity of this cluster.

The relation between mass and concentration in x-ray galaxy clusters at high-redshift.

In this Thesis work we have studied the properties of high-redshift galaxy clusters through the X-ray emission from their intracluster gas. In particular, we have focused on the relation between concentration and mass that is related to the density of the universe at the formation time of the clusters and therefore, it is a powerful cosmological probe. Concentration is expected to be a decreasing function of mass but a complete characterization of this relation has not been reached yet. We have analysed 22 clusters observed withe the Chandra satellite at high redshift and we have investigated the concentration-mass relation.

Connection between x-ray and radio properties of cool-core galaxy clusters hosting radio mini-halos

Gli ammassi di galassie sono gli oggetti gravitazionalmente legati più grandi dell’Universo. Questi emettono principalmente in banda X tramite bremsstrahlung. Una frazione mostra anche emissione radio diffusa da parte di elettroni relativistici che spiraleggiano nel campo magnetico. Si possono classificare tre tipi di emissione: alon, relitti e mini-aloni radio (MH). I MH sono sorgenti radio su scale di ≥ 200 – 500 kpc, osservate al centro di ammassi caratterizzati dalla presenze di cool-core (CC). L’origine dei MH non è ancora chiara. Gli elettroni relativistici che emettono in banda radio hanno tempi di vita radiativi di molto inferiori a quelli necessari per diffondere sulle scale dell’emissione diffusa. Quindi non sono semplicemente iniettati dalle galassie presenti negli ammassi ed è necessario un meccanismo di accelerazione “in-situ” nell’ICM. I MH testimoniano la presenza di meccanismi che canalizzano parte del budget energetico disponibile nei CC nell’ICM.Quindi lo studio è importante per comprendere la fisica dell’ICM e l’interazione fra le componenti non termiche e termiche. I MH si formano attraverso la riaccelerazione delle particelle relativistiche ad opera della turbolenza del gas. L’origine di questa turbolenza tuttavia non è ancora ben compresa. Gli ammassi CC sono caratterizzati da un picco della brillanza X nelle regioni centrali e da un drop della temperatura verso il centro accompagnata da aumento della densità del gas. Si ritiene che questo sia dovuto al raffreddamento del gas che quindi fluisce nelle zone centrali. Recenti osservazioni in X risultan inconsistenti con il modello classico di CF, suggerendo la presenza di una sorgente di riscaldamento del gas su scale del core degli ammassi. Recentemente Zhuravleva (2014) hanno mostrato che il riscaldamento dovuto alla turbolenza prodotta dall'AGN centrale è in grado di bilanciare il processo di raffreddamento. Abbiamo assunto che la turbolenza responsabile del riscaldamento del gas è anche responsabile dell’accelerazione delle particelle nei MH. Nell’ambito di questo scenario ci si aspetta una correlazione tra la potenza del cooling flow, PCF, che è una misura del tasso di energia emessa dal gas che raffredda nei CC, e la luminosità radio, che è una frazione dell’energia della turbolenza che è canalizzata nell’accelerazione delle particelle. In questo lavoro di tesi abbiamo utilizzato il più grande campione disponibile di MH, allo scopo di studiare la connessione fra le proprietà dei MH e quelle del gas termico nei core degli ammassi che li ospitano. Abbiamo analizzato i dati di 21 ammassi e ricavato i parametri fisici all’interno del raggio di cooling e del MH. Abbiamo ricavato la correlazione fra luminosità radio, e PCF. Abbiamo trovato che le due quantità correlano in modo quasi-lineare confermando i risultati precedenti. Tale correlazione suggerisce uno stretto legame fra le proprietà del gas nei CC e l’origine dei MH.

Radio relics and magnetic fields in galaxy clusters

Radio relics are diffuse synchrotron sources generally located in the peripheries of galaxy clusters in merging state. According to the current leading scenario, relics trace gigantic cosmological shock waves that cross the intra-cluster medium where particle acceleration occurs. The relic/shock connection is supported by several observational facts, including the spatial coincidence between relics and shocks found in the X-rays. Under the assumptions that particles are accelerated at the shock front and are subsequently deposited and then age downstream of the shock, Markevitch et al. (2005) proposed a method to constrain the magnetic field strength in radio relics. Measuring the thickness of radio relics at different frequencies allows to derive combined constraints on the velocity of the downstream flow and on the magnetic field, which in turns determines particle aging. We elaborate this idea to infer first constraints on magnetic fields in cluster outskirts. We consider three models of particle aging and develop a geometric model to take into account the contribution to the relic transverse size due to the projection of the shock-surface on the plane of the sky. We selected three well studied radio relics in the clusters A 521, CIZA J2242.8+5301 and 1RXS J0603.3+4214. These relics have been chosen primarily because they are almost seen edge-on and because the Mach number of the shock that is associated with these relics is measured by X-ray observations, thus allowing to break the degeneracy between magnetic field and downstream velocity in the method. For the first two clusters, our method is consistent with a pure radiative aging model allowing us to derive constraints on the relics magnetic field strength. In the case of 1RXS J0603.3+4214 we find that particle life-times are consistent with a pure radiative aging model under some conditions, however we also collect evidences for downstream particle re-acceleration in the relic W-region and for a magnetic field decaying downstream in its E-region. Our estimates of the magnetic field strength in the relics in A 521 and CIZA J2242.8+5301 provide unique information on the field properties in cluster outskirts. The constraints derived for these relics, together with the lower limits to the magnetic field that we derived from the lack of inverse Compton X-ray emission from the sources, have been combined with the constraints from Faraday rotation studies of the Coma cluster. Overall results suggest that the spatial profile of the magnetic field energy density is broader than that of the thermal gas, implying that the ε_th /ε_B ratio decreases with cluster radius. Alternatively, radio relics could trace dynamically active regions where the magnetic field strength is biased high with respect to the average value in the cluster volume.

Emissione non termica in ammassi di galassie in relazione con la massa del sistema

L'oggetto di studio di questa tesi e' l'analisi degli ammassi di galassie (galaxy clusters) e delle loro proprieta', attraverso un introduttiva analisi morfologica e dinamica, considerazioni sulle proprieta' termiche (con caratteristiche collegate direttamente dalla temperatura), ed infine l'ispezione dei meccanismi che generano le emissioni non termiche e le loro sorgenti. Cercheremo delle relazioni fra le une e le altre. In particolare studieremo specifiche conformazioni del mezzo intergalattico (ICM, intracluster medium) all'interno degli ammassi, quali Aloni, Relitti e Mini Aloni, attraverso le radiazioni che essi sprigionano nella banda dei raggi X e onde radio. Le prime osservazioni sugli ammassi di galassie sono state effettuate gia' alla fine del '700 da Charles Messier, che, al fine di esaminare il cielo alla ricerca di comete, forni un catalogo di 110 oggetti cosmici che, pur apparendo nebulosi per via della limitatezza di risoluzione dei telescopi di allora, non erano sicuramente comete. Fra questi oggetti vi erano anche ammassi di galassie. I primi studi approfonditi si ebbero soltanto con il rapido incremento tecnologico del XX secolo che permise di capire che quelle formazioni confuse altro non erano che agglomerati di galassie. Telescopi piu' grandi, e poi interferometri, radiotelescopi osservazioni agli X hanno sostanzialmente aperto il mondo dell'astrofisica. In particolare Abell stabili' nel primo dopoguerra il primo catalogo di ammassi su determinazione morfologica. Altri astronomi ampliarono poi i parametri di classificazione basandosi su caratteristiche ottiche e meccaniche. Le analisi piu' recenti infine basano le loro conclusioni sullo studio delle bande non ottiche dello spettro, principalmente i raggi X e onde Radio.

Determinazione della massa e relazione tra massa e proprietà non termiche in ammassi di galassie

Nella presente tesi, di argomento astrofisico, sono esaminati gli ammassi di galassie (galaxy clusters), ovvero gli oggetti virializzati più grandi dell’Universo. Attraverso una introduttiva analisi morfologica vengono descritte le proprietà di luminosità in banda X e radio dovute alle galassie che li compongono ed al caldo gas intergalattico (ICM IntraCluster Medium) tra queste interposto. In particolare è presa in esame l’emissione radio diffusa di natura non termica di sottostrutture del gas, note con il nome di Aloni, relitti e mini-aloni. Nei capitoli II e III l’attenzione si concentra sul non facile problema della determinazione della massa di un ammasso, proprietà che costituisce il principale oggetto di studio del presente lavoro, passando in rassegna e descrivendo i metodi più utilizzati: analisi dinamica delle galassie (equazione di Jeans ed equazione del viriale), osservazioni in banda X dell’ICM, weak lensing (WL), strong lensing (SL) ed infine WL e SL accoppiati. Una analisi critica ed un confronto tra questi metodi è sviluppata nel capitolo IV, prendendo in considerazione l’ammasso RCS2327. Il conclusivo capitolo V racchiude e collega gli argomenti delle sezioni precedenti cercando una possibile correlazione tra le proprietà emissive non termiche (in banda radio) e le masse di un campione di 28 ammassi, determinate mediante tecnica di weak lensing e strong lensing accoppiate.

Proprietà degli ammassi di galassie

In questa tesi di laurea triennale vengono esposte le conoscenze fondamentali che descrivono gli ammassi di galassie. I galaxy clusters sono strutture gravitazionalmente legate composte di galassie, gas denominato ICM (Intra Cluster Medium) e materia oscura. Queste 3 diverse componenti sono responsabili rispettivamente del 5%, 15% e 80% circa della massa totale dell’ammasso; per la maggior parte degli ammassi la massa totale è 10^{14-15} masse solari. Nella prima parte della tesi si illustrano brevemente queste 3 componenti e le si inquadrano nelle diverse classificazioni morfologiche degli ammassi. Nella seconda parte ho passato in rassegna alcune delle funzioni più importanti per descrivere un ammasso di galassie. Nella terza ed ultima parte sono esposti i principali meccanismi grazie ai quali conosciamo gli ammassi di galassie.

A study of extended radio galaxies in the Shapley concentration core

Extended cluster radio galaxies show different morphologies com- pared to those found isolated in the field. Indeed, symmetric double radio galaxies are only a small percentage of the total content of ra- dio loud cluster galaxies, which show mainly tailed morphologies (e.g. O’Dea & Owen, 1985). Moreover, cluster mergers can deeply affect the statistical properties of their radio activity. In order to better understand the morphological and radio activity differences of the radio galaxies in major mergeing and non/tidal-merging clusters, we performed a multifrequency study of extended radio galax- ies inside two cluster complexes, A3528 and A3558. They belong to the innermost region of the Shapley Concentration, the most massive con- centration of galaxy clusters (termed supercluster) in the local Universe, at average redshift z ≈ 0.043. We analysed low frequency radio data performed at 235 and 610 MHz with Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) and we combined them with proprietary and literature observations, in order to have a wide frequency range (150 MHz to 8.4 GHz) to perform the spectral analysis. The low frequency images allowed us to carry out a detailed study of the radio tails and diffuse emission found in some cases. The results in the radio band were also qualitatively compared with the X-ray information coming from XMM-Newton observations, in order to test the interaction between radio galaxies and cluster weather. We found that the brightest central galaxies (BCGs) in the A3528 cluster complex are powerful and present substantial emission from old relativistic plasma characterized by a steep spectrum (α > 2). In the light of observational pieces of evidence, we suggest they are possible re-started radio galaxies. On the other hand, the tailed radio galaxies trace the host galaxy motion with respect to the ICM, and our find- ings is consistent with the dynamical interpretation of a tidal interaction (Gastaldello et al. 2003). On the contrary, the BCGs in the A3558 clus- ter complex are either quiet or very faint radio galaxies, supporting the hypothesis that clusters mergers quench the radio emission from AGN.

Axion-like particles and the 3.5 keV line in 4D string models

This work is focused on axions and axion like particles (ALPs) and their possible relation with the 3.55 keV photon line detected, in recent years, from galaxy clusters and other astrophysical objects. We focus on axions that come from string compactification and we study the vacuum structure of the resulting low energy 4D N=1 supergravity effective field theory. We then provide a model which might explain the 3.55 keV line through the following processes. A 7.1 keV dark matter axion decays in two light axions, which, in turn, are transformed into photons thanks to the Primakoff effect and the existence of a kinetic mixing between two U(1)s gauge symmetries belonging respectively to the hidden and the visible sector. We present two models, the first one gives an outcome inconsistent with experimental data, while the second can yield the desired result.

Emissione non termica in ammassi di galassie: analisi di radiosorgenti diffuse

Gli ammassi di galassie (galaxy clusters) sono aggregati di galassie legate dalla forza di attrazione gravitazionale. Essi sono le più grandi strutture virializzate dell’Universo e la loro luminosità è dovuta alle galassie che li compongono e al cosiddetto intracluster medium (ICM), gas intergalattico in grado di raggiungere temperature di milioni di gradi. L’ICM è caratterizzato da emissioni sia di tipo termico che non termico, rispettivamente nella banda X e nella banda Radio, dovute soprattutto al meccanismo di bremsstrahlung termica e all’emissione di sincrotrone. Lo studio delle radiazioni emesse da questo gas primordiale ha permesso di studiare alcuni processi caratteristici nella dinamica degli ammassi di galassie, come i fenomeni di merger e cooling flow , e di ottenere quindi una maggiore comprensione della formazione ed evoluzione degli ammassi. Essendo le più grandi strutture dell’Universo che abbiano raggiunto l’equilibrio viriale, il loro studio risulta infatti molto importante, in quanto fornisce un valido strumento per la formulazione di un Modello Cosmologico. Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste in particolare nell'analisi di Aloni e Relitti radio, con maggiore approfondimento sui primi, e sulla ricerca di una correlazione della potenza Radio dei clusters sia con la loro luminosità nella banda X, che con la loro dimensione spaziale. La raccolta e l’elaborazione dei dati è stata svolta presso l’osservatorio di radioastronomia (ORA) situato nel CNR di Bologna.

Non-thermal properties of two galaxy filament candidates from JVLA observations

Large-scale structures can be considered an interesting and useful "laboratory" to better investigate the Universe; in particular the filaments connecting clusters and superclusters of galaxies can be a powerful tool for this intent, since they are not virialised systems yet. The large structures in the Universe have been studied in different bands, in particular the present work takes into consideration the emission in the radio band. In the last years both compact and diffuse radio emission have been detected, revealing to be associated to single objects and clusters of galaxies respectively. The detection of these sources is important, because the radiation process is the synchrotron emission, which in turn is linked to the presence of a magnetic field: therefore studying these radio sources can help in investigating the magnetic field which permeates different portions of space. Furthermore, radio emission in optical filaments have been detected recently, opening new chances to further improve the understanding of structure formation. Filaments can be seen as the net which links clusters and superclusters. This work was made with the aim of investigating non-thermal properties in low-density regions, looking for possible filaments associated to the diffuse emission. The analysed sources are 0917+75, which is located at a redshift z = 0.125, and the double cluster system A399-A401, positioned at z = 0.071806 and z = 0.073664 respectively. Data were taken from VLA/JVLA observations, and reduced and calibrated with the package AIPS, following the standard procedure. Isocountour and polarisation maps were yielded, allowing to derive the main physical properties. Unfortunately, because of a low quality data for A399-A401, it was not possible to see any radio halo or bridge.

OpenMP task scheduling strategies to mitigate hardware variability in tightly-coupled shared memory clusters

In questa tesi sono stati apportati due importanti contributi nel campo degli acceleratori embedded many-core. Abbiamo implementato un runtime OpenMP ottimizzato per la gestione del tasking model per sistemi a processori strettamente accoppiati in cluster e poi interconnessi attraverso una network on chip. Ci siamo focalizzati sulla loro scalabilità e sul supporto di task di granularità fine, come è tipico nelle applicazioni embedded. Il secondo contributo di questa tesi è stata proporre una estensione del runtime di OpenMP che cerca di prevedere la manifestazione di errori dati da fenomeni di variability tramite una schedulazione efficiente del carico di lavoro.

The gas mass fraction and the dynamical state in x-ray luminous clusters of galaxies at low redshift

Gli ammassi di galassie sono le strutture gravitazionalmente legate con le più profonde buche di potenziale, pertanto è previsto che questi contengano una frazione di barioni non molto diversa da quella cosmologica. Con l’introduzione di modelli sempre più accurati di fisica barionica all’interno di simulazioni idrodinamiche è stato possibile predire la percentuale cosmica di barioni presente negli ammassi di galassie. Unendo questi modelli previsionali con misure della frazione di gas in ammassi e informazioni sulla densità di barioni dell’Universo si può ottenere una stima della densità di materia cosmica Ωm. L'obiettivo di questo lavoro di Tesi è la stima di Ωm a partire dalla frazione di gas osservata in questi sistemi. Questo lavoro era stato già fatto in precedenza, ma tenendo in considerazione solo gli ammassi più massivi e dinamicamente rilassati. Usando parametri che caratterizzano la morfologia della distribuzione di brillanza superficiale nei raggi X, abbiamo classificato i nostri oggetti come rilassati o disturbati, laddove presentassero evidenze di recenti attività di interazione. Abbiamo dunque valutato l’impatto degli oggetti disturbati sulla stima del parametro cosmologico Ωm, computando il Chi2 tra la frazione di massa barionica nell’Universo e quella da noi ricavata. Infine abbiamo investigato una relazione tra il valore della frazione di gas degli ammassi rilassati e quello dei disturbati, in modo da correggere quindi questi ultimi, riportandoli nei dintorni del valore medio per i rilassati e usarli per ampliare il campione e porre un vincolo più stringente su Ωm. Anche con il limitato campione a nostra disposizione, è stato possibile porre un vincolo più stretto su Ωm, utilizzando un maggior numero di oggetti e riducendo così l’errore statistico.

Action-based dynamical models of the Fornax dwarf spheroidal galaxy

Il lavoro presentato in questa Tesi si basa sul calcolo di modelli dinamici per Galassie Sferoidali Nane studiando il problema mediante l'utilizzo di funzioni di distribuzione. Si è trattato un tipo di funzioni di distribuzione, "Action-Based distribution functions", le quali sono funzioni delle sole variabili azione. Fornax è stata descritta con un'appropriata funzione di distribuzione e il problema della costruzione di modelli dinamici è stato affrontato assumendo sia un alone di materia oscura con distribuzione di densità costante nelle regioni interne sia un alone con cuspide. Per semplicità è stata assunta simmetria sferica e non è stato calcolato esplicitamente il potenziale gravitazionale della componente stellare (le stelle sono traccianti in un potenziale gravitazionale fissato). Tramite un diretto confronto con alcune osservabili, quali il profilo di densità stellare proiettata e il profilo di dispersione di velocità lungo la linea di vista, sono stati trovati alcuni modelli rappresentativi della dinamica di Fornax. Modelli calcolati tramite funzioni di distribuzione basati su azioni permettono di determinare in maniera autoconsistente profili di anisotropia. Tutti i modelli calcolati sono caratterizzati dal possedere un profilo di anisotropia con forte anisotropia tangenziale. Sono state poi comparate le stime di materia oscura di questi modelli con i più comuni e usati stimatori di massa in letteratura. E stato inoltre stimato il rapporto tra la massa totale del sistema (componente stellare e materia oscura) e la componente stellare di Fornax, entro 1600 pc ed entro i 3 kpc. Come esplorazione preliminare, in questo lavoro abbiamo anche presentato anche alcuni esempi di modelli sferici a due componenti in cui il campo gravitazionale è determinato dall'autogravità delle stelle e da un potenziale esterno che rappresenta l'alone di materia oscura.