L'impact des trous noirs les plus massifs de l’Univers sur le coeur des amas de galaxies

Abstract

Les amas de galaxies sont les plus grandes concentrations de matière gravitationnellement liées de l'Univers. Ils sont formés de centaines à des milliers de galaxies, dont la plus grande et la plus massive, la galaxie dominante, se trouve au centre du potentiel gravitationnel de l'amas. Au centre des amas de galaxies dits à coeur froid, la galaxie dominante de l'amas a en son centre un trou noir supermassif actif, appelé noyau actif de galaxie, qui éjecte des jets relativistes produisant des cavités et de grandes perturbations dans le milieu intra-amas. C'est ce qui est appelé le mécanisme de rétroaction du noyau actif de galaxie et qui permet de balancer le refroidissement de l'amas. Dans certains de ces amas de galaxies, il y a aussi de l'émission radio diffuse, appelée radio mini-halo, qui est détectée. Il s'agit de sources d’une taille de ~100 à 500 kpc centrées sur la galaxie dominante. Ces radio mini-halos se retrouvent dans les amas à coeur froid, mais leur origine est encore inconnue. En effet, pour produire une telle émission, il faut des particules relativistes et des champs magnétiques, mais à une telle distance du centre de l'amas, les particules dans le milieu intra-amas ne devraient plus être relativistes. Présentement, l'hypothèse la plus acceptée dans la littérature pour expliquer leur origine est par la ré-accélération de particules grâce à la turbulence du milieu intra-amas due à des fusions mineures. Par conséquent, dans ce mémoire, notre but est de mieux comprendre l'origine de ces structures radio et d'explorer d'autres mécanismes qui pourraient expliquer leur origine, dont la turbulence générée par la rétroaction du noyau actif de galaxie de la galaxie dominante. Nous avons donc fait un recensement de tous les radio mini-halos publiés à ce jour, en y incluant deux nouveaux radio mini-halos découverts par notre collaboration avec des nouvelles observations radio du Karl G. Jansky Very Large Array. Un de ces deux radio mini-halos se trouve dans l'amas de galaxies proche et massif PKS 0745-191 (z = 0,1028) et l'autre dans l'amas de galaxies massif MACS J1447.4+0827 (z = 0,3755). Ce recensement a permis d'effectuer une analyse statistique détaillée entre les propriétés des radio mini-halos et celles de leur amas de galaxies. En plus de confirmer des corrélations déjà connues avec plus d'objets, cette analyse a permis d'explorer pour la première fois la relation entre les radio mini-halos et les processus de rétroaction du noyau actif de galaxie de la galaxie centrale. Pour ce faire, l'émission radio provenant du noyau actif de galaxie de la galaxie centrale a été séparée spectralement en deux composantes : une venant de l'accrétion en cours et une venant des éjections passées, comme par exemple les jets relativistes responsables de la rétroaction. De fortes corrélations, jusqu'alors inconnues, ont été trouvées entre la puissance radio des mini-halos et celle de ces deux composantes du noyau actif de galaxie. La plus forte de ces deux corrélations est celle utilisant la composante reliée aux jets relativistes. De plus, une nouvelle corrélation forte entre la puissance radio des mini-halos et la puissance rayons X des cavités, créées par les jets relativistes, a été découverte. Globalement, cette étude indique que les radio mini-halos sont directement connectés au noyau actif de galaxie central dans les amas de galaxies. Ainsi, dans ce mémoire, l'hypothèse selon laquelle la rétroaction du noyau actif de galaxie pourrait être un des mécanismes dominants dans la création des radio mini-halos est proposée. Ceci serait fait par l'injection d'énergie dans le milieu intra-amas, ce qui permettrait de ré-accélerer une population de particules avec suffisamment d'énergie initiale. La rétroaction dans les amas de galaxies à coeur froid serait non seulement essentielle pour contrer le refroidissement du milieu intra-amas, mais jouerait aussi un rôle fondamental pour ré-énergiser la population de particules non-thermiques formant les émissions radio diffuses nommées radio mini-halos.

Clusters of galaxies are the biggest gravitationally bound objects in the Universe. They contain hundreds to thousands of galaxies, with the biggest and most massive one, the dominant galaxy, located at the centre of the gravitational potential. At the centre of clusters known as cool core clusters, the dominant galaxy hosts a powerful supermassive black hole that is accreting material and generating relativistic jets. These jets create cavities and tremendous perturbations in the intracluster medium. This is called active galactic nucleus feedback, a mechanism by which the cooling of the intracluster medium is counterbalanced by the active galactic nucleus energetic processes. In some of these clusters, observations show that the cluster also hosts a diffuse radio structure known as a radio mini-halo. Radio mini-halos are radio sources centred on the dominant galaxy and have sizes of ~100-500 kpc. They are found in cool core clusters of galaxies, but their origin remains unknown. Indeed, to produce the radio emission on the scale of radio mini-halos, relativistic particles are needed. However, at such large distances from the cluster centre particles should not be relativistic anymore. Currently, one hypothesis to explain their origin involves the re-acceleration of particles through turbulence in the intracluster medium generated from minor mergers. In this Master's thesis, we aim to better understand the origin of these radio structures and to explore other mechanisms that could explain their origin, including turbulence generated by the active galactic nucleus feedback. We have therefore conducted a survey of all the known radio mini-halos. This survey includes two new radio mini-halos discovered by our collaboration with new radio observations from the Karl G. Jansky Very Large Array, namely the radio mini-halo in the nearby and massive cluster of galaxies PKS 0745-191 (z = 0.1028) and the radio mini-halo in the massive cluster of galaxies MACS J1447.4+0827 (z = 0.3755). We conducted a detailed statistical analysis between the properties of the radio mini-halos and the properties of the clusters. In addition to confirming known correlations, our study also explored the relation between radio mini-halos and active galactic nucleus feedback processes. To enable this, the radio emission from the active galactic nucleus located in the central galaxy was spectrally decomposed into a component that traces ongoing accretion and one that traces past outbursts. We discovered previously unknown correlations between the radio mini-halo power and the power of these two components of the active galactic nucleus. We find that the strongest of the two correlations is the one related to the component that traces past outbursts, which is related to the relativistic jets. Furthermore, a new correlation between the radio mini-halo power and the X-ray cavity power, created by the relativistic jets, was discovered. Overall, our study indicates that radio mini-halos are directly connected to the central active galactic nucleus in clusters of galaxies. Therefore, we hypothesize that this feedback may be one of the dominant mechanisms giving rise to radio mini-halos. This could be accomplished by injecting energy into the intracluster medium, which could re-accelerate an old population of particles with enough initial energy. Therefore, active galactic nuclei feedback in cool core clusters of galaxies may not only play a vital role in offsetting cooling in the intracluster medium, but it may also play a fundamental role in re-energizing the population of non-thermal particles that lead to radio mini-halos.