German Title: Numerische Simulationen von Kosmischer Strahlung und Magnetfeldern in Galaxienhaufen

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Abstract

We investigate the numerical modelling of relativistic protons, so-called cosmic rays, in a magnetised plasma. For the first time we combine two different components of a cosmological simulation code that so far have only been tested and employed independently of each other. By means of magnetohydrodynamic shock tube calculations in a gas that contains a constant fraction of relativistic particles we check for the correct physical behaviour of the combined numerical models. For this purpose we derive an analytical expression for the magnetosonic shock and rarefaction waves in the MHD Riemann problem and solve for the resulting system of equations using an iterative scheme. Comparing the theoretical and numerical solutions of a number of shock tube calculations we assess the physical correctness of the simulation. After successful testing we simulate the structure formation of three galaxy clusters including the consistent modelling of magnetic fields and cosmic rays. By means of analytical models we compute the X-ray and radio emission of the simulated clusters and reveal the temporal correlation between both quantities. Through a comparison with the strong lensing cross sections we demonstrate that the observable radio emission of galaxy clusters is directly connected to the occurrence of substructure in their dark matter halos and is thus triggered by strong merger shocks.

Translation of abstract (German)

Wir untersuchen die numerische Modellierung relativistischer Protonen in einem magnetisierten Plasma. Dazu kombinieren wir erstmals zwei unterschiedliche Komponenten eines kosmologischen Simulationscodes welche zuvor nur getrennt voneinander getestet und erfolgreich eingesetzt wurden. Mit Hilfe von Sto{\ss}rohrrechnungen {\"u}berpr{\"u}fen wir die physikalisch korrekte Wiedergabe eines analytisch l{\"o}sbaren magnetohydrodynamischen Riemannproblems in einem Gas mit einem konstanten Anteil relativistischer Teilchen. Dazu leiten wir einen analytischen Ausdruck f{\"u}r die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der magnetosonischen (Schock-)Wellen her. Das Gleichungssystem welches sich aus dem Riemannproblem ergibt l{\"o}sen wir in einem iterativen N{\"a}herungsverfahren. Aus dem Vergleich der analytischen mit der numerischen L{\"o}sung verschiedener Sto{\ss}rohrprobleme erhalten wir eine realistische Absch{\"a}tzung der physikalischen Genauigkeit des Simulationscodes. Nach der erfolgreichen Testphase simulieren wir die Strukturentstehung von drei Ga\-laxienhaufen, wobei wir die Entwicklung der intergalaktischen Magnetfelder und die Erzeugung relativistischer Teilchen konsistent mitbehandeln. Mit Hilfe analytischer Modelle berechnen wir die R{\"o}ntgen- und Radioemission der Galaxienhaufen und zeigen den zeit\-lichen Zusammenhang zwischen beiden Beobachtungsgr{\"o}{\ss}en auf. Durch einen Vergleich mit dem Wirkungsquerschnitt f{\"u}r den starken Linseneffekt belegen wir, dass die beobachtbare Radioemission von Galaxienhaufen mit dem Auftreten von Substrukturen korreliert und somit durch Schocks beim Einfall gro{\ss}er Materieklumpen erzeugt wird.