Kurzfassung
Galaxienhaufen und -gruppen sind massereiche Strukturen, die sich als letztes in der Entwicklungsgeschichte unseres Universums formten.
Als solche spielt ihre Entstehung und Entwicklung eine Schlüsselrolle im Verständnis der Strukturbildung und der kosmologischen Parameter. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich herausgestellt, dass Galaxienhaufen nicht den Vorhersagen von Modellen entsprechen, die lediglich gravitative Prozesse berücksichtigen. Skalierungsrelationen und Beobachtungen zeigen, dass eine nicht-gravitative Erwärmung erforderlich ist, um zu erklären, warum beispielsweise das heiße Plasma, das die Galaxienhaufen und -gruppen durchdringt, nicht auf niedrige Temperaturen abkühlt. Immer mehr Hinweise legen nahe, dass Rückkopplungsmechanismen aktiver galaktischer Nuklei (AGN) eine Erklärung dafür liefern: Das zentrale schwarze Loch speist sich aus Gas, welches aus einer heißeren Phase abkühlt, und erzeugt seinerseits Stoßwellen und Wärme, die die Strahlungsverluste des heißen Plasmas abschwächen.
Es gibt noch viel über die Rückkopplung von AGN zu verstehen. Derzeit ist nicht klar, ob die relative Position des AGN und der Kühlregion des Haufens relevante Auswirkungen auf diesen Arbeitszyklus haben kann. Liegt der AGN außerhalb der Kühlregion (oder ist von dieser versetzt), kann sich das schwarze Loch möglicherweise nicht aus kaltem Gas speisen, und der AGN kann seine Umgebung nicht effizient genug aufheizen, um Strahlungsverluste zu unterdrücken. Während die Detektion von Spuren der Rückkopplung, wie z. B. Stoßwellen und Blasen in massereichen Galaxienhaufen, leichter geworden ist, fehlt es noch an Untersuchungen der Rückkopplung von AGN im unteren Massenbereich von Galaxiengruppen, hauptsächlich wegen ihrer geringeren Oberflächenhelligkeit und Ausdehnung. Auch ist es wichtig, die Rolle der Rückkopplung zu verstehen, wenn es um die Eigenschaften der Heimatgalaxien von AGN geht. Die Simulation von Rückkopplung muss die Merkmale, die wir in Galaxienhaufen und -gruppen beobachten, reproduzieren können. Desweiteren kann die AGN-Rückkopplung auch eine wichtige Rolle bei der Herstellung geeigneter Bedingungen für ausgedehnte Radioemission spielen, die durch die Beschleunigung kosmischer Strahlung auf Skalen von Galaxienhaufen erzeugt wird und die in gestörten Systemen häufig von Radio-Interferometern wie LOFAR beobachtet wird.
Während meiner Doktorarbeit habe ich Galaxienhaufen untersucht, in denen der Punkt maximaler Kühlung von der Position des AGN versetzt ist. Zudem habe ich die AGN-Rückkopplung in Galaxiengruppen mit geringer Masse untersucht. Dabei habe ich Beobachtungen von mehreren Teleskopen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums sowie Himmelsdurchmusterungen der neuen Generation von eROSITA (Röntgen) und LOFAR (Radio) genutzt. Zusammen bilden sie eine große Stichprobe von Systemen mit einer noch nie dagewesenen Fülle von Multi-Wellenlängen-Daten. Ich habe Werkzeuge entwickelt, um Daten zu kalibrieren und zu analysieren, vor allem im Röntgen- und Radiofrequenzbereich. Diese Daten habe ich kombiniert, um einen besseren Einblick in die Wirkung der AGN-Rückkopplung in Haufen und Gruppen zu erhalten. Ich habe statistische Methoden sowie Simulationen benutzt, um die Wechselwirkung zwischen dem hei0en Plasma in Galaxienhaufen und der nicht-thermischen Emission von zentralen Radiogalaxien zu studieren. Zuletzt habe ich eine Software entwickelt, um sehr niedrig-frequente (54 MHz) Radiodaten von LOFAR zu kalibrieren und habe dies angewandt auf den interessantesten Galaxienhaufen im HETDEX Feld, Abell 1550 (A1550).
Wir haben Hinweise darauf gefunden, dass Galaxienhaufen und -gruppen einer ähnlichen Korrelation zwischen der Röntgenleuchtkraft des heißen Plasmas und der Radioleistung des zentralen AGN folgen. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass Galaxien in der Nähe des Haufen-/Gruppenzentrums mit höherer Wahrscheinlichkeit einen radiolauten AGN beherbergen, da sie das Reservoir an kaltem Gas leicht anzapfen können, während Galaxien außerhalb des Zentrums auf eher episodische Auslöser wie Verschmelzungen angewiesen sein könnten. Wir haben keine Korrelation zwischen der Ausdehnung der zentralen Radiogalaie und der Dichte des Galaxienhaufen gefunden, was ein Hinweis darauf sein könnte, das andere Faktoren, wie Alter oder Leistung der Quelle wichtiger sein könnte. In Systemen mit begrenzten Abständen ($<50$ kpc) zwischen dem AGN und dem Ort höchster Abkühlung haben wir festgestellt, dass der AGN-Arbeitszyklus nicht unterbrochen wird und dass das Schwappen des Gases einen weiteren Versatz mit dem warmen Gas, das aus der heißen Phase abkühlt, hervorrufen kann. Schließlich haben wir eine der ersten Niederfrequenz-Beobachtungen (54 MHz) von LOFAR analysiert, bei der wir den gestörten Galaxienhaufen Abell 1550 untersucht und mehrere diffuse Emissionsquellen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften gefunden haben, die wahrscheinlich durch die Beschleunigung kosmischer Strahlung mit verschiedenen Beschleunigungsmechanismen entstanden sind.
Ich habe meine Ergebnisse in fünf, im Peer-Review-Verfahren veröffentlichten Erstautor-Publikationen zusammengefasst, die ich hier vorstelle. Zusammenfassend gewährt meine Dissertation neue Einblicke in AGN Rückkopplung in Galaxienhaufen und -gruppen. Außerdem habe ich die Möglichkeiten von LOFAR bei ultra-tiefen Frequenzen erkundet, um diffuse, nicht-thermische Emission in Galaxienhaufen zu untersuchen.
Galaxy clusters and groups are the latest, more massive structures to have formed in our Universe. As such, their birth and evolution provides key information to understand structure formation and constrain cosmology. In the last two decades, it has become clear that galaxy clusters deviate from the predictions of models which incorporate only gravitational processes. Scaling relations and observational constrains demonstrate that non-gravitational heating is required to explain why, for example, the hot plasma permeating clusters and groups is not cooling to low temperatures. Increasing evidence points indeed to Active Galactic Nuclei (AGN) feedback as an explanation for these features: the central Black Hole (BH) feeds from gas which is cooling down from an hotter phase, and in turn produces shocks and induce heating which quench the radiative losses of the hot plasma. There is still much to understand about AGN feedback. It is currently not clear whether the relative position of the AGN and of the cluster cooling region can have relevant effects on this duty cycle. It is possible that, if the AGN lies outside of (or is offset from) the cooling region, the BH might not be able to feed from cold gas, and the AGN not able to heat its surroundings efficiently enough to quench radiative losses. Furthermore, while it has become relatively easy to detect feedback features (e.g. shocks, bubbles) in massive clusters, investigations of AGN feedback in the lower mass range of galaxy groups are still lacking, mainly because of their low surface brightness and smaller dimension. It is also essential to understand the role of feedback when it comes to the properties of AGN optical hosts, and to model feedback prescriptions in our simulations in a way in which they can reproduce the features we observe in clusters and groups. Finally, feedback can also have a relevant role on setting the necessary conditions to power the extended radio emission produced by the acceleration of Cosmic Rays (CR) on cluster scales, which is being frequently observed in disturbed systems by low-frequency interferometers such as LOFAR, the LOw Frequency ARray. During my PhD, I have studied clusters which show offsets between the peak of the cooling and the AGN, as well as investigated feedback in the low-mass regime of galaxy groups. In doing that, I have exploited observations by multiple instruments, in different bands of the electromagnetic spectrum, as well as new-generation surveys provided by eROSITA (X-ray) and LOFAR (radio), which together provide large sample of systems with an unprecedented wealth of multi-wavelength data available. I have learnt and developed tools to calibrate and analyse data, mainly at X-ray and radio frequencies, and combined them to get a new, unexplored perspective of how AGN feedback acts in clusters and groups. I have exploited statistical methods and simulations to study the interplay between the hot plasma permeating clusters and the non-thermal emission by central radio galaxies. Finally, we have developed a pipeline to properly calibrate LOFAR ultra low-frequency (54 MHz) observations, applying it to one of the most interesting galaxy clusters in the HETDEX sky field, Abell 1550 (A1550). We have found evidence that clusters and groups follow a similar correlation between X-ray luminosity of the hot plasma and radio power of the central AGN. The correlation becomes tighter when we compare the total energy output from the AGN (which the radio power is a proxy of) to the X-ray luminosity, and apparently holds for both relaxed and disturbed systems. We showed that galaxies close to the cluster/group center are more likely to host a radio-loud AGN, since they can easily tap into the cold gas reservoir, while outer galaxies might rely on more episodic triggers, such as mergers. We found no apparent correlation between the extent of central radio galaxy and the density of the host group/cluster, suggesting that other factors, such as the age and radio power of the source, might be more dominant. In systems with limited offsets ($<50$ kpc) between AGN and cooling peak, we determined that the duty cycle is not broken, and that gas sloshing can induce further offsets with the warm gas which is cooling out from the hot phase. Finally, we have analysed one of the first ultra low-frequency observations provided by LOFAR, studying the disturbed galaxy cluster A1550 and finding multiple diffuse emission sources with surprisingly heterogeneous properties, which are likely produced by different cosmic-ray acceleration mechanisms. I have gathered all my findings into 5 first-author, peer-reviewed publications, which I present here. In summary, my thesis provides new insights into the current knowledge of AGN feedback in clusters and groups, and explores the potentiality of LOFAR ultra low-frequency observations to detect and investigate diffuse, non-thermal emission in galaxy clusters.