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On the Structure of Galaxy Clusters

Puchwein, Ewald

German Title: Über die Struktur der Galaxienhaufen

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Abstract

I summarise the state of the scientific exploration of the structure of galaxy clusters and present two new studies, namely, I propose and test a novel method to model clusters by a joint X-ray, thermal Sunyaev-Zeldovich and lensing analysis, and I investigate the impact of baryonic physics on strong cluster lensing and cluster structure. The three-dimensional reconstruction methods I propose assume only axial symmetry of the cluster with respect to an arbitrarily inclined axis. Cluster gas density and temperature distributions are found from X-ray and Sunyaev-Zeldovich data. Cumulative total-mass profiles and three-dimensional gravitational potentials are then obtained from these gas reconstructions assuming hydrostatic equilibrium, or independently by a gravitational lensing analysis, neglecting it. Hydrostatic equilibrium is quantitatively probed by comparing the two. The methods are described in detail and shown to perform well on progressively realistic synthetic data. Previous strong cluster lensing studies neglected the impact of the intracluster gas. I investigate it comparing simulations including gas physics at different levels of complexity. I found that adiabatic gas leaves strong lensing cross sections unchanged or somewhat reduces them, depending on the artificial viscosity implementation, while cooling and star formation steepen core density profiles and increase strong-lensing efficiencies considerably.

Translation of abstract (German)

Ich gebe in dieser Arbeit einen Überblick über den Stand der Erforschung der Struktur der Galaxienhaufen und präsentiere zwei neue Studien. Diese befassen sich mit Methoden zur Haufenrekonstruktion mittels einer gemeinsamen Röngten-, thermischen Sunyaev-Zeldovich- und Gravitationslinsenanalyse, sowie mit der Untersuchung des Einflusses baryonischer Physik auf den starken Linseneffekt und die Struktur der Galaxienhaufen. Die von mir vorgestellten Haufenrekonstruktionsmethoden setzen nur axiale Symmetrie bezüglich einer beliebig orientierten Achse voraus. Dichte- und Temperaturverteilungen des Haufengases lassen sich aus Röngten- und Sunyaev-Zeldovich-Daten ermitteln. Kumulative totale Massenprofile und dreidimensionale Gravitationspotentiale können dann aus den Gasverteilungen unter Annahme hydrostatischen Gleichgewichts bestimmt werden. Unabhängig davon, und ohne diese Annahme, lassen sie sich aus Gravitationslinsendaten rekonstruieren. Durch einen Vergleich der beiden Rekonstruktionen lässt sich hydrostatisches Gleichgewicht quantitativ testen. Diese Methoden sind detailliert beschrieben und wurden mithilfe von zunehmend realistischen synthetischen Beobachtungen erfolgreich getestet. Bisher wurde der Einfluss des Haufengases auf den starken Linseneffekt in Galaxienhaufen vernachlässigt. Hier untersuche ich diesen mithilfe eines Satzes von Haufensimulationen, die Gasdynamik in unterschiedlicher Komplexität enthalten. Es zeigte sich, dass adiabatisches Gas Wirkungsquerschnitte für den starken Linseneffekt entweder unverändert lässt oder etwas verringert, je nach verwendeter Implementierung der künstlichen Viskosität. Radiative Kühlung und Sternbildung hingegen lassen zentrale Dichteprofile steiler werden und erhöhen Linsenwirkungsquerschnitte beträchtlich.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bartelmann, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 17. October 2007
Date Deposited: 18. Oct 2007 16:57
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > Institute of Theoretical Astrophysics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Galaxienhaufen, Gravitationslinse
Uncontrolled Keywords: galaxy clusters , gravitational lensing
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