University, Diss., 2004--Bonn.

Mergers between rich clusters of galaxies represent the most violent events in the Universe. The merger events initiate a complex chain of processes that leads to the dissipation of the collisional energy. This phase of violent relaxation is accompanied by turbulence and shock waves as well as non-thermal particle acceleration. This thesis aims at the interpretation of multi-wavelength observations of the merging cluster of galaxies Abell 3376 in the framework of a theoretical model of the involved effects. Observations with the Very Large Array radio interferometer were carried out and analyzed to clarify the morphology of the non-thermal particle distribution in Abell 3376, in particular about the shocked regions. The dissipation in the hot intra-cluster gas was studied using archival X-ray observations with ROSAT and XMM. Results were compared with constrained numerical simulations of the evolution of the merger process in the framework of cosmological structure formation. For this purpose, the ENZO-Code was employed for the computation of the gas dynamics and self-gravity of the colliding mass distribution. The non-thermal properties of the intra-cluster gas could be indirectly inferred from the local Mach number and the strength of the turbulence. / Die Verschmelzung reicher Galaxienhaufen ist das energiereichste Ereignis im Universum. Während des Verschmelzungsvorgangs wird eine komplexe Kette von Prozessen ausgelöst, durch die die Stoßenergie der Galaxienhaufen freigesetzt wird. In dieser Phase der heftigen Relaxation entwickeln sich Turbulenz und Stoßwellen sowie nicht-thermische Teilchenpopulationen. In der vorliegenden Dissertation wird der Versuch unternommen, Multiwellenlängenbeobachtungen des kollidierenden Galaxienhaufens Abell 3376 im Rahmen eines theoretischen Modells der involvierten Effekte zu interpretieren. Es wurden Beobachtungen mit dem Very Large Array Radiointerferometer durchgeführt und analysiert, um die Morphologie der nichtthermischen Teilchenverteilung in Abell 3376 insbesondere im Bereich der Stoßwellen aufzuklären. Die Dissipation im heißen Intracluster-Gas wurde anhand von archivierten Röntgenbeobachtungen von ROSAT und XMM untersucht. Die Ergebnisse wurden mit eingeschränkten numerischen Simulationen der Entwicklung des Verschmelzungsprozesses im Rahmen der kosmologischen Strukturbildung verglichen. Dabei wurde das ENZO-Programm verwendet, das die gasdynamischen Eigenschaften sowie die Eigengravitation der kollidierenden Massenverteilung berechnet. Aussagen über die nichtthermischen Eigenschaften des intracluster-Gases konnten aus der lokalen Machzahl sowie der Turbulenzstärke indirekt abgeleitet werden.

University, Diss., 2003--Bonn.

University, Diss., 2004--Bonn.

Heidelberg, Univ., Diss., 2008.

University, Diss., 2001--München.

Universiẗat, Diss., 2000--München.

It is aim of this work to develop, implement, and apply a new numerical scheme for modeling turbulent, multiphase astrophysical flows such as galaxy cluster cores and star forming regions. The method combines the capabilities of adaptive mesh refinement (AMR) and large-eddy simulations (LES) to capture localized features and to represent unresolved turbulence, respectively; it will be referred to as Fluid mEchanics with Adaptively Refined Large-Eddy SimulationS or FEARLESS. / Ziel dieser Arbeit war, ein neues numerisches Modell zu entwickeln, welches es ermöglicht Grobstruktursimulationen auch mit adaptiven Gittercodes auszuführen, um Turbulenz über große Längenskalenbereiche konsistent zu simulieren.

Galaxy clusters are the largest known gravitationally bound objects, their study is important for both an intrinsic understanding of their systems and an investigation of the large scale structure of the universe. The multi- component nature of galaxy clusters offers multiple observable signals across the electromagnetic spectrum. At X-ray wavelengths, galaxy clusters are simply identified as X-ray luminous, spatially extended, and extragalactic sources. X-ray observations offer the most powerful technique for constructing cluster catalogues. The main advantages of the X-ray cluster surveys are their excellent purity and completeness and the X-ray observables are tightly correlated with mass, which is indeed the most fundamental parameter of clusters. In my thesis I have conducted the 2XMMi/SDSS galaxy cluster survey, which is a serendipitous search for galaxy clusters based on the X-ray extended sources in the XMM-Newton Serendipitous Source Catalogue (2XMMi-DR3). The main aims of the survey are to identify new X-ray galaxy clusters, investigate their X-ray scaling relations, identify distant cluster candidates, and study the correlation of the X-ray and optical properties. The survey is constrained to those extended sources that are in the footprint of the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) in order to be able to identify the optical counterparts as well as to measure their redshifts that are mandatory to measure their physical properties. The overlap area be- tween the XMM-Newton fields and the SDSS-DR7 imaging, the latest SDSS data release at the starting of the survey, is 210 deg^2. The survey comprises 1180 X-ray cluster candidates with at least 80 background-subtracted photon counts, which passed the quality control process. To measure the optical redshifts of the X-ray cluster candidates, I used three procedures; (i) cross-matching these candidates with the recent and largest optically selected cluster catalogues in the literature, which yielded the photometric redshifts of about a quarter of the X-ray cluster candidates. (ii) I developed a finding algorithm to search for overdensities of galaxies at the positions of the X-ray cluster candidates in the photometric redshift space and to measure their redshifts from the SDSS-DR8 data, which provided the photometric redshifts of 530 groups/clusters. (iii) I developed an algorithm to identify the cluster candidates associated with spectroscopically targeted Luminous Red Galaxies (LRGs) in the SDSS-DR9 and to measure the cluster spectroscopic redshift, which provided 324 groups and clusters with spectroscopic confirmation based on spectroscopic redshift of at least one LRG. In total, the optically confirmed cluster sample comprises 574 groups and clusters with redshifts (0.03 ≤ z ≤ 0.77), which is the largest X-ray selected cluster catalogue to date based on observations from the current X-ray observatories (XMM-Newton, Chandra, Suzaku, and Swift/XRT). Among the cluster sample, about 75 percent are newly X-ray discovered groups/clusters and 40 percent are new systems to the literature. To determine the X-ray properties of the optically confirmed cluster sample, I reduced and analysed their X-ray data in an automated way following the standard pipelines of processing the XMM-Newton data. In this analysis, I extracted the cluster spectra from EPIC(PN, MOS1, MOS2) images within an optimal aperture chosen to maximise the signal-to-noise ratio. The spectral fitting procedure provided the X-ray temperatures kT (0.5 - 7.5 keV) for 345 systems that have good quality X-ray data. For all the optically confirmed cluster sample, I measured the physical properties L500 (0.5 x 10^42 – 1.2 x 10^45 erg s-1 ) and M500 (1.1 x 10^13 – 4.9 x 10^14 M⊙) from an iterative procedure using published scaling relations. The present X-ray detected groups and clusters are in the low and intermediate luminosity regimes apart from few luminous systems, thanks to the XMM-Newton sensitivity and the available XMM-Newton deep fields The optically confirmed cluster sample with measurements of redshift and X-ray properties can be used for various astrophysical applications. As a first application, I investigated the LX - T relation for the first time based on a large cluster sample of 345 systems with X-ray spectroscopic parameters drawn from a single survey. The current sample includes groups and clusters with wide ranges of redshifts, temperatures, and luminosities. The slope of the relation is consistent with the published ones of nearby clusters with higher temperatures and luminosities. The derived relation is still much steeper than that predicted by self-similar evolution. I also investigated the evolution of the slope and the scatter of the LX - T relation with the cluster redshift. After excluding the low luminosity groups, I found no significant changes of the slope and the intrinsic scatter of the relation with redshift when dividing the sample into three redshift bins. When including the low luminosity groups in the low redshift subsample, I found its LX - T relation becomes after than the relation of the intermediate and high redshift subsamples. As a second application of the optically confirmed cluster sample from our ongoing survey, I investigated the correlation between the cluster X-ray and the optical parameters that have been determined in a homogenous way. Firstly, I investigated the correlations between the BCG properties (absolute magnitude and optical luminosity) and the cluster global proper- ties (redshift and mass). Secondly, I computed the richness and the optical luminosity within R500 of a nearby subsample (z ≤ 0.42, with a complete membership detection from the SDSS data) with measured X-ray temperatures from our survey. The relation between the estimated optical luminosity and richness is also presented. Finally, the correlation between the cluster optical properties (richness and luminosity) and the cluster global properties (X-ray luminosity, temperature, mass) are investigated. / Im Rahmen dieser Arbeit habe ich die 2XMMi/SDSS Galaxienhaufendurchmusterung erstellt (2XMMi/SDSS galaxy cluster survey), eine Suche nach Galaxienhaufen welche auf der Detektion ausgedehnter Röntgenquellen im XMM-Newton Quellenkatalog (2XMMi-DR3) basiert. Die Hauptziele dieser Suche sind die Identifizierung bisher unbekannter röntgenheller Galaxienhaufen, die Erforschung ihrer Beziehungen zwischen Röntgenleuchtkraft und Temperatur (X-ray scaling relation), eine Entdeckung von möglichen weit entfernten Galaxienhaufen und die Beziehung zwischen Eigenschaften im Optischen und Röntgenbereich. Die Durchmusterung ist für alle Quellen der Himmelsregionen ausgelegt, die vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS) erfasst werden. Das Ziel besteht darin, ihre optischen Gegenstücke zu finden und deren Rotverschiebungen zu bestimmen. Die gemeinsamen Himmelsareale zwischen XMM-Newton und dem Bildmaterial vom SDSS-DR7 umfassen 210 deg^2. Meine Durchmusterung enthält 1180 mögliche Galaxienhaufen mit wenigstens 80 vom Hintergrund bereinigten Photonen im Röntgenbereich, die einer Qualitätskontrolle erfolgreich standgehalten haben. Um die Rotverschiebungen der möglichen Galaxienhaufen im optischen Bereich zu bestimmen nutzte ich drei Vorgehensweisen: (i) Ein Abgleich jener Kandidaten mit den neuesten und umfangreichsten Katalogen optisch ausgewählter Galaxienhaufen, die in der Literatur verfügbar sind. (ii) Ich entwickelte einen Algorithmus, um Rotverschiebungen der optischen Gegenstücke aus Daten vom SDSS-DR8 zu ermitteln, welches zu photometrischen Rotverschiebungen von 530 Galaxiengruppen-/haufen führte. (iii) Ein weiterer von mir entwickelter Algorithmus nutzte die spektroskopischen Rotverschiebung von roten leuchtkräftigen Galaxien (LRGs) in den Daten des SDSS-DR9 und ergab 324 Gruppen und Haufen. Zusammengefasst enthält diese Probe 574 auch im optischen nachgewiesener Galaxiengruppen und -haufen mit bekannten Rotverschiebungen (0.03 ≤ z ≤ 0.77) - der zur Zeit umfangreichste Katalog von im Röntgenbereich ausgewählten Galaxienhaufen basierend auf aktuellen Röntgenbeobachtungen. Unter jenen Haufen waren ca. 75% im Röntgenbereich nicht bekannt und 40% fanden in der bisherigen Literatur noch keine Erwähnung. Um die Röntgeneigenschaften der im Optischen bestätigten Haufen zu bestimmen, war eine automatische Reduktion und Analyse der Röntgendaten unverzichtbar. Die Prozedur, welche Modelle an die Röntgenspektren anpasste, ergab Temperaturen kT von 0.5 – 7.5 keV für 345 Kandidaten. Für alle Haufen, die auch im optischen auffindbar waren, bestimmte ich die physikalischen Eigenschaften L500 (0.5 x 10^42 – 1.2 x 10^45 erg s^-1) und M500 (1.1 x 10^13 – 4.9 x 10^14 M⊙). Die Probe optisch bestätigter Galaxienhaufen mit gemessenen Rotverschiebungen und Röntgeneigenschaften kann für viele astrophysikalische Anwendungen genutzt werden. Als eine der ersten Anwendungen betrachtete ich die Beziehung zwischen LX - T; das erste Mal für eine so grosse Anzahl von 345 Objekten. Der aktuelle Katalog enthält Gruppen und Haufen, die einen grossen Bereich in Rotverschiebung, Temperatur und Helligkeit abdecken. Der Anstieg jener Beziehung ist im Einklang mit bereits publizierten Werten für nahegelegene Galaxienhaufen von hoher Temperatur und Helligkeit. Nach dem Ausschluss leuchtschwacher Gruppen und der Einteilung der Daten in drei nach Rotverschiebung geordneter Gruppen, waren keine signifikanten Änderungen von Anstieg und intrinsischer Streuung zu beobachten. Als zweite Anwendung unserer Durchmusterung, untersuchte ich die Haufen bezüglich deren Eigenschaften im Optischen und im Röntgenbereich. Zuerst betrachtete ich den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften (absolute Helligkeit und optische Leuchkraft) der hellsten Haufengalaxie (BCG) mit denen des Haufens als Ganzem (Rotverschiebung und Masse). Danach berechnete ich die Reichhaltigkeit der Galaxienhaufen und deren optische Leuchtkraft innerhalb von R500 für eine Stichprobe nahegelegener Haufen (z ≤ 0.42, hier sind SDSS Daten noch empfindlich genug um den Grossteil der Haufengalaxien abzubilden) mit gemessenen Röntgentemperaturen. Schlussendlich konnten dieWechselwirkungen zwischen den optischen Eigenschaften (Reichhaltigkeit und Leuchtkraft) und den globalen Eigenschaften (Röntgenleuchtkraft, Temperatur und Masse) näher untersucht werden.

In dieser Dissertation werden Daten aus drei Jahren vom vollständig fertiggestellten IceCube-Detektor benutzt um nach Neutrinos zu suchen, die in Dunkle-Materie-Annihilationen in fünf nahegelegen Zwerggalaxien, der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen produziert wurden. Um die Messung durchzuführen, wurde zunächst eine Ereignis-Selektion angewandt, die es ermöglicht, die von aus der Atmosphäre stammenden Teilchen dominierte Rate der Ereignisse von zirka 100 Hz auf 0.5 mHz zu reduzieren. Danach wird eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt um zu bestimmen ob es ein Überschuss von Neutrinos aus der Richtung der jeweiligen Quellen gibt, der mit einen Energie-Spektrum übereinstimmt das mann für Dunkle-Materie-Annihilationen erwartet. Für die M31 Galaxie und den Virgo Galaxienhaufen wurde zusätzlich zu dieser Suche nach einer Punktquelle auch eine Suche für ein erweitertes Signal durchgeführt. In allen untersuchten Fällen ist das Ergebnis der Analyse vereinbar mit einer Messung der Hintergrund-Hypothese, und daraus wurden Limits für den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation für verschiedene Endprodukte bestimmt. Für hohe Dunkle-Materie-Massen gibt es ein Überschuss von Neutrinos aus drei der Zwerggalaxien. Dieser Überschuss hat einen globalen p-Wert von 4.9% und ist damit nicht statistisch signifikant. Die Suche für ein erweitertes Signal von der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen ergab keinen Überschuss. Die Limits auf den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation haben sich im Vergleich zu vorherigen IceCube-Analysen signifikant verbessert, um bis zu einer Größenordnung. Diese ist teilweise auf Grund Verbesserungen für diese Analyse besonders: eine verbesserte Ereignis-Selektion, und für die Analyse ist eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt statt eine Analyse in ein Suchfenster. / In this thesis, three years worth of data from the completed IceCube detector is used to search for neutrinos produced in dark matter annihilations in five nearby dwarf galaxies, the M31 galaxy and the Virgo cluster. To do this, an event selection which was developed for this analysis is applied to the data sample to reduce the atmospheric background rate from approximately 100 Hz to less than 0.5 mHz. Then, an unbinned maximum likelihood method is used to determine whether there is an excess of neutrinos from the direction of the considered galaxies or galaxy cluster that has an energy spectrum that matches the spectrum expected from dark matter annihilations. For the M31 galaxy and the Virgo cluster an extended signal with a two-dimensional Gaussian shape and width up to 5 degrees is also considered. In all cases, the results of the analysis are compatible with the background-only hypothesis and limits are set on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section for different annihilation channels. For high dark matter masses there is an excess of neutrinos from three of the five dwarf galaxies. This excess has a global p-value of 4.9%, so it is not statistically significant. The search for an extended emission from the direction of the M31 galaxy and the Virgo cluster also did not result in an excess: in both cases the global p-value is larger than 50%. The limits on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section have improved significantly (up to an order of magnitude) with respect to the previous IceCube analysis considering these same targets. This is partially due to improvements to this analysis specifically: an improved event selection was used to select the final data sample and an unbinned maximum likelihood method was used for the final analysis instead of a binned analysis method.