De mens heeft altijd willen weten wat zijn oorsprong is en hoe deze is gerelateerd aan het heelal. Hij heeft dit op verschillende manieren geprobeerd: is er een religieuze achtergrond of een wetenschappelijke? Vaak heeft de mens zijn vragen en antwoorden in de literatuur en beeldende kunst uitgedrukt door middel van gedichten en verhalen, het maken van tekeningen, schilderijen en sculpturen van geweldige omvang en schoonheid. De wetenschappelijke aanpak is natuurlijk een van de beste benaderingen om goede en directe antwoorden te vinden. Dit is de reden waarom ik ongeveer negen jaar geleden de wetenschap ben gaan bestuderen met als resultaat de onderwerpen die in dit proefschrift beschreven zijn. 
Deze samenvatting heeft als doel in het kort de resultaten weer te geven van mijn werk van de afgelopen vier jaar, waarbij ik de onderwerpen van dit proefschrift in een voor iedereen begrijpelijk en makkelijk leesbaar geheel probeer samen te vatten. Om de details van mijn werk te begrijpen, is het zeer nuttig eerst een globaal idee te geven van hoe het universum waarin we leven is georganiseerd. ... 

Zie: Samenvatting

Pizzo, Roberto Francesco,

Pizzo, Roberto Francesco

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Tomography of galaxy clusters through low-frequency radio polarimetry

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Tomography of galaxy clusters through low-frequency radio polarimetry
Pizzo, Roberto Francesco
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2010
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Pizzo, R. F. (2010). Tomography of galaxy clusters through low-frequency radio polarimetry Groningen: s.n.
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Tomography of Galaxy Clusters
through Low-Frequency Radio
Polarimetry
Proefschrift
ter verkrijging van het doctoraat in de
Wiskunde en Natuurwetenschappen
aan de Rijksuniversiteit Groningen
op gezag van de
Rector Magnificus, dr. F. Zwarts,
in het openbaar te verdedigen op
vrijdag 19 februari 2010
om 14:45 uur
door
Roberto Francesco Pizzo
geboren op 5 maart 1979
te Modena, Italie¨
Promotor: Prof. dr. A. G. de Bruyn
Beoordelingscommissie: dr. L. Feretti
Prof. dr. H. J. A. Ro¨ttgering
Prof. dr. M. A. M. van de Weijgaert
ISBN: 978-90-367-4133-0 Printed version
ISBN: 978-90-367-4132-3 Electronic version
In memory of my father
Contents
1 Introduction 9
1.1 Clusters of galaxies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
1.2 Synchrotron radiation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 10
1.2.1 The synchrotron spectrum and polarization : : : : : : : : : : : 10
1.2.2 Time evolution of the synchrotron spectrum : : : : : : : : : : : 11
1.2.3 Equipartition magnetic fields : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12
1.2.4 Faraday rotation and depolarization : : : : : : : : : : : : : : : 14
1.3 RM-synthesis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
1.4 Halos and Relics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
1.4.1 Radio halos : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
1.4.2 Radio relics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 23
1.5 Cluster radio galaxies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27
1.6 The WSRT : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28
1.6.1 Configurations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28
1.6.2 Observing bands and datasets details : : : : : : : : : : : : : : : 29
1.7 Low-frequency radio observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30
1.7.1 The ionosphere : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30
1.7.2 Issues related to low-frequency observations : : : : : : : : : : : 31
1.8 This thesis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
1.8.1 A2255 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33
1.8.2 Coma : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
2 Detection of diffuse radio emission at large distance from the center of
the galaxy cluster A2255 41
2.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 41
2.2 Observations and data reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43
2.3 Results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 45
2.4 Discussion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 46
2.5 Conclusions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 47
3 Radio spectral study of the cluster of galaxies Abell 2255 49
3.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 50
3.2 Observations and data reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52
3.2.1 25 cm dataset : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
3.2.2 Off-axis errors in 25 cm maps : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
Cover: the galaxy cluster A2255 observed at different frequencies. The background
displays the polarized emission detected by the WSRT in the field of the cluster at
350 MHz. The image was obtained using a program written by Michiel Brentjens.
The image of the WSRT dishes was kindly provided by ASTRON. The insert on the
front side shows four radio galaxies performing a complicated dance in the heart of
Abell 2255. The optical image, collected at Kitt Peak National Observatory, is dis-
played in blue and reveals numerous galaxies in a chain-like structure. The NRAO
Very Large Array was used to obtain the 1.4 GHz radio data, which are shown in red.
Image courtesy of NRAO/AUI/NSF. The insert on the back side shows a composite
image of A2255 obtained from superimposing the WSRT 85 cm radio map (in red)
on the red band Digitized sky survey image (black and white).
Cover design by Niels Bos.
Printed by: Ipskamp Drukkers, Enschede, the Netherlands.
63.2.3 85 cm dataset : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55
3.2.4 2 m dataset (LFFE-band observations) : : : : : : : : : : : : : : 56
3.2.5 A few issues related to low-frequency observations : : : : : : : 56
3.2.6 Flux scale at 2 m wavelength : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 58
3.2.7 Errors and noise in the final images : : : : : : : : : : : : : : : : 58
3.2.8 Flux measurement uncertainties : : : : : : : : : : : : : : : : : : 61
3.2.9 Making maps at 25 cm, 85 cm, and 2 m for a spectral index
analysis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62
3.3 Results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62
3.3.1 25 cm map : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62
3.3.2 85 cm map : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 67
3.3.3 2 m map : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 69
3.4 Spectral index analysis of A2255 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 73
3.4.1 Spectral index analysis between 25 cm and 85 cm : : : : : : : : 73
3.4.2 Spectral index analysis between 85 cm and 2 m : : : : : : : : : 76
3.4.3 Equipartition magnetic field : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 76
3.5 The head-tail Beaver radio galaxy : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 82
3.5.1 Spectral index analysis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 83
3.5.2 Physical parameters and spectral ageing in the tail of the Beaver 84
3.5.3 Radio source confinement : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 88
3.6 Discussion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91
3.6.1 Halo origin : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91
3.6.2 Relics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93
3.6.3 The Beaver radio galaxy : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 94
3.7 Summary and conclusions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 96
4 Deep multi-frequency rotation measure tomography of the galaxy clus-
ter A2255 99
4.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 100
4.2 Observations and data reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 103
4.2.1 18 cm and 21 cm datasets : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 104
4.2.2 25 cm dataset : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 104
4.2.3 85 cm dataset : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 105
4.2.4 2 m dataset : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 105
4.2.5 Polarization calibration : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 105
4.2.6 Ionospheric Faraday rotation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 109
4.2.7 Polarization imaging and RM-cubes : : : : : : : : : : : : : : : 110
4.2.8 RM-synthesis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 112
4.3 Results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 114
4.3.1 The 30 background sources : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 114
4.3.2 The RM-cubes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 116
4.4 The radio galaxies and the filaments : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 124
4.4.1 The Double : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 125
4.4.2 The Goldfish : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 126
4.4.3 The original TRG : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 126
4.4.4 The Bean : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 126
74.4.5 The Embryo : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 126
4.4.6 The Beaver : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 126
4.4.7 The filaments : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 127
4.4.8 Rotation measure structure : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 127
4.5 Discussion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 134
4.5.1 The radio galaxies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 134
4.5.2 The Beaver radio galaxy : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 137
4.5.3 The filaments : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 137
4.5.4 The depolarization of the filaments : : : : : : : : : : : : : : : : 138
4.5.5 Internal depolarization? : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 139
4.5.6 External depolarization? : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 142
4.6 Summary and conclusions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 143
5 The Galactic foreground in the direction of A2255 145
5.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 146
5.2 The 85 cm RM-cube: structure in Faraday space : : : : : : : : : : : : : 147
5.3 Discussion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 162
5.3.1 Properties of the Galactic foreground polarization : : : : : : : : 162
5.3.2 A simple physical model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 166
5.3.3 Distances of the Faraday space emission patterns : : : : : : : : 169
5.4 Conclusions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 171
6 Deep 2 m WSRT observations of the extended diffuse emission associ-
ated with Coma 173
6.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 174
6.2 Observations and data reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 175
6.2.1 Flux scale at 2 m wavelength : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 176
6.2.2 Ionospheric issues at low frequency : : : : : : : : : : : : : : : : 179
6.2.3 Self calibration : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 179
6.2.4 Stokes I imaging : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 180
6.2.5 RM-synthesis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 180
6.2.6 Flux measurements uncertainties : : : : : : : : : : : : : : : : : 181
6.2.7 Determining the flux of the extended structures : : : : : : : : : 182
6.3 Total intensity results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 182
6.3.1 Total intensity image : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 182
6.3.2 The halo source Coma C : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 183
6.3.3 The relic source B1253+275 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 191
6.3.4 The radio bridge : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 192
6.3.5 Physical parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 194
6.4 Polarization results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 197
6.4.1 The RM-cube : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 198
6.4.2 The depolarization of B1253+275 : : : : : : : : : : : : : : : : : : 198
6.5 Summary and conclusions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 200
87 Future perspectives 203
7.1 Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 203
7.2 A2255 and Coma: open questions and future investigations : : : : : : 204
7.3 The future of low-frequency observations of galaxy clusters : : : : : : 205
7.4 The LOFAR cluster Surveys KSP : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 208
7.5 Technical issues : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 209
8 Samenvatting 219
8.1 De mensheid in het universum : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 219
8.2 Het elektromagnetische spectrum en de astronomische kleuren : : : : 223
8.3 Radiosterrenkunde en Radiotelescopen : : : : : : : : : : : : : : : : : : 225
8.4 De radio straling in het universum: synchrotron straling : : : : : : : : 226
8.5 Dit proefschrift : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 227
8.5.1 Radiosterrenstelsels : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 227
8.5.2 Halo’s en Fossielen : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 229
8.6 Lage frequentie radio waarnemingen: problemen en oplossingen : : : 231
8.7 De bestudeerde clusters in dit proefschrift : : : : : : : : : : : : : : : : 233
8.7.1 De cluster Abell 2255 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 233
8.7.2 De Coma cluster : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 234
8.8 De laagste frequenties: LOFAR : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 235
9 Sommario 237
9.1 L’uomo nell’universo : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 237
9.2 Lo spettro elettromagnetico e i colori
dell’astronomia : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 241
9.3 La radioastronomia e i radiotelescopi : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 242
9.4 L’emissione radio nell’universo: il sincrotrone : : : : : : : : : : : : : : 243
9.5 Questa tesi : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 244
9.5.1 Le radiogalssie : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 245
9.5.2 Gli aloni e i relitti : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 246
9.6 Le osservazioni radio a basse frequenze: problemi e soluzioni : : : : : 248
9.7 Gli ammassi di galassie oggetto di studio : : : : : : : : : : : : : : : : : 250
9.7.1 L’ammasso Abell 2255 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 250
9.7.2 L’ammasso di Coma : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 252
9.8 Verso le piu` basse frequenze: il LOFAR : : : : : : : : : : : : : : : : : : 252
10 Acknowledgments 255


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