Untersuchungen zur nicht-thermischen Emission in Galaxienhaufen: Radio-Halos, -Relikte, und die fehlende Gammastrahlung

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Pfrommer
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444932369

Die Beobachtung ausgedehnter Strukturen von Radiosynchrotronemission in Galaxienhaufen (als "Radio-Halos" und "Radio-Relikte" bezeichnet) liefern eindeutige Beweise für relativistische Elektronen und Magnetfelder. Es hat im letzten Jahrzehnt Fortschritte beim Verständnis dieser Emission von Radio-Halos und -Relikten gegeben, welche in kollidierenden Haufen auftreten. Jede Interpretation der beobachteten Phänomene wirft jedoch mehrere theoretische Probleme auf oder widerspricht grundlegenden Paradigmen der Plasmaphysik. Wenn relativistische Protonen (sogenannte kosmische Strahlung) so effizient wie relativistische Elektronen beschleunigt werden, dann sollten sie sich in Galaxienhaufen ansammeln und durch hadronische Wechselwirkungen beobachtbare diffuse Gammastrahlenemission erzeugen. Es ist unklar, warum diese Emission noch nicht beobachtet wurde. Wir müssen ebenfalls die beobachteten Korrelationen der Radiohelligkeit mit thermischen Beobachtungsgrößen von Galaxienhaufen mit Hilfe von Radio-Himmelsdurchmusterungen mit hoher Empfindlichkeit überprüfen. Diese sollten eine kontrollierbare Auswahlfunktion aufweisen, um die Häufigkeiten genau zu quantifizieren und die zugrundeliegenden Plasmaprozesse erklären zu können. Dieser Antrag zielt darauf ab, den Stand der Technik kosmologischer Simulationen nicht-thermischer Prozesse in Galaxienhaufen voranzutreiben, und die Ergebnisse mit Daten der MeerKAT-Erkundung von Relikten, Riesenhalos und extragalaktischen Radio-Quellen (MERGHERS) zu vergleichen. Wir werden eine Reihe von Zoom-In-Simulationen von Galaxienhaufen durchführen, die homogen ausgewählt sind und sich über einen großen Massenbereich erstrecken. Dazu werden wir den kosmologischen, unstrukturierten, mitbewegten Gittercode AREPO mit dem modernen Galaxienmodell FABLE verwenden, welches wir im Rahmen dieses Antrags weiter verbessern werden. Wir werden unsere großen Fortschritte bei der Entwicklung von Simulationscodes ausnützen, zu denen die Hydrodynamik der kosmischen Strahlung gehört (in der Ein-und Zwei-Momenten-Formulierung), die diffusive Stoßbeschleunigung, die von der magnetischen Ausrichtung abhängt, und die Entwicklung des Elektronenspektrums der kosmischen Strahlung durch Integration des Fokker-Planck-Gleichung. Diese Simulationen ermöglichen es uns, die bisher realistischsten synthetischen Karten und Spektren dieser Phänomene zu erzeugen und durch Vergleich mit MeerKAT-Beobachtungen hoffentlich einige der offenen Fragen zu lösen. Der Antrag ermöglicht eine erhebliche wissenschaftliche Rendite der deutschen Investitionen in MeerKAT und ebnet Deutschland auch den Weg, eine führende Rolle bei der theoretischen Interpretation von diffuser nicht-thermischer Haufenemission in der SKA-Ära zu spielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südafrika
• Kooperationspartnerin: Kenda Knowles, Ph.D.