Measure cosmic magnetic fields with extreme astrophysical messengers

Abstract

Magnetische Felder sind ein allgegenwärtiges Phänomen, welches wir in nahezu jedem Himmelskörper beobachten. Ihre Omnipräsenz kann nur durch einen gemeinsamen Ursprung oder universale Prozesse der Magnetogenese erklärt werden. Allerdings wird die Beobachtung von Magnetfeldern in größerer Distanz zunehmend schwieriger, besonders in Voids wo Materie nur in sehr geringer Dichte vorhanden ist. Diese Bereiche enthalten die meisten Informationen über die Entstehung kosmischer Magnetfelder, da Dynamoaktivität in Bereichen höherer Dichte die Spuren des ursprünglichen Feldes verwischt. In der vorliegenden Arbeit erforsche ich hochenergetische astrophysikalische Botschafter, ultrahochenergetische kosmische Strahlung sowie schnelle Radioblitze. Deren Signal erfährt eine Änderung beim Durchqueren von Magnetfeldern und liefert uns möglicherweise Information über magnetische Felder außerhalb der Dichten Strukturen des Universums und so über der Herkunft dieser Felder. Mithilfe von kosmologischen Modellen des intergalaktischen Mediums im lokalen Universum simuliere ich die Auswirkungen des Magnetfelds auf diese astrophysikalischen Botschafter und erstelle Vorhersagen für die statistische Verteilung derer Signale, welche ich mit Beobachtungsdaten vergleiche.

Zur Simulation der kosmischen Strahlung verwende ich die Software CRPropa, welche alle relevanten Energieverlust- und Zerfallsprozesse beinhaltet. Durch Kombination möglicher Kataloge von Quellen dieser Strahlung mit verschiedenen Modellen des intergalaktischen Magnetfelds und der implizierten Ablenkung ermittle ich das erwartete Maß an Anisotropie auf großen Skalen, welche ich mit den Beobachtungen der Pierre Auger Kollaboration vergleiche. Dabei konnte kein passender Quellenkatalog mit einheitlichen Emissionseigenschaften gefunden werden. Dennoch liefert meine Arbeit hinweise darauf, dass die emittierte kosmische Strahlung vornehmlich aus schweren Elementen bestehen muss, um die beobachtete Dipolanisotropie zu erklären.

Um schnelle Radioblitze näher zu erforschen, habe ich das quelloffene python Software Paket PreFRBLE entwickelt, mit dem Ziel die Kommunikation zwischen theoretischen Modellen und Beobachtungsdaten zu verbessern. Diese Software verwendet die approximative Bayesianische Methode für die Berechnung der Beiträge verschiedener Regionen entlang der Sichtlinie: das intergalaktische Medium, die lokale Umgebung der Quelle, die Ursprungsgalaxie sowie mögliche weitere Galaxien zwischen Quelle und Beobachter. In Kombination liefern diese die bisher realistischsten Abschätzungen für die erwartete Verteilung von Observablen. Diese statistischen Vorhersagen werden mit Beobachtungsdaten von schnellen Radioblitzen verglichen, um seit Langem bestehende kosmologische Fragen zu untersuchen. Ich zeige, dass die Beobachtungen verschiedener Instrumente zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen führen. Insbesondere muss der Unterschied zwischen Ergebnissen von ASKAP und CHIME aufgeklärt werden, um eine gemeinsame Identifikation der fehlenden Baryonen und der Verteilung der Quelldistanzen zu ermöglichen, solange die Radioblitze nicht in großer Zahl lokalisiert wurden. Abschließend zeige ich, das linear polarisierte Radioblitze genutzt werden können, um das intergalaktische Magnetfeld zu messen. 1.000 dieser Radioblitze reichen aus um die derzeitige Obergrenze zu verbessern. Mit Erreichen einer Datenmenge von 100.000 Radioblitzen wird es möglich die gesamte Bandbreite möglicher Feldstärken zu messen. In meiner Arbeit habe ich neue Wege erforscht, um mehr über die kosmische Herkunft von Magnetfeldern zu lernen und habe dabei nützliche Werkzeuge errichtet, welche schon jetzt von anderen Wissenschaftlern genutzt werden, um dieses Unterfangen fortzuführen.

Magnetic fields are a ubiquitous phenomenon observed in all kinds of astrophysical objects throughout the entire Universe. Their omnipresence requires a common cosmic origin or universal processes of magneto-genesis. However, observations of magnetic fields are increasingly difficult at larger distances, especially in the low-density regions of cosmic voids. These are most informative on the history of cosmic magnetic fields, since dynamo activity in denser environments leaves little trace of the initial seed field. In this thesis, I focus on high-energy astrophysical messengers, namely ultrahigh-energy cosmic rays and fast radio bursts. These are modified during propagation in magnetic fields and hence potentially deliver information on the magnetic fields outside the dense structures of the Universe and consequently on the cosmic origin of magnetic fields. With the use of constrained cosmological models of the intergalactic medium, I simulate the propagation of these messengers and predict the statistics of their signal observed at terrestrial telescopes and compare to observations.

The propagation of cosmic rays is computed using the CRPropa code, that entails all energy-loss and decay processes. Combining possible source catalogues with different models of intergalactic magnetic fields and their Lorentz deflections, I predict measures of large-scale anisotropy and compare to results reported by the Pierre Auger Collaboration. However, no fitting catalogue of sources with uniform emission properties could be identified. Still, my results suggest that a heavy source composition is required in order to explain the dipole anisotropy observed at the Pierre Auger Observatory.

For the investigation of fast radio bursts, I produced the open-source python software package PreFRBLE, whose purpose is to enhance communication between theoretical models and observational data. This code uses approximate Bayesian computation to quantify the contribution of different regions along the line-of-sight: the intergalactic medium, the local environment of the source, the host as well as intervening galaxies. These are combined to full line-of-sight scenarios in order to predict the expected distribution of observables in the most realistic modelling available. These statistical predictions are compared to observations of fast radio bursts in order to investigate long-standing cosmological questions. I show that in order to constrain the location of missing baryons and the redshift distribution of fast radio bursts, the discrepancy between results of different instruments, especially CHIME and ASKAP, needs to be explained, unless the bursts can be localized in great numbers. Finally, I show that linearly polarized fast radio bursts can be used to constrain the intergalactic magnetic field. Current upper limits can be improved on with a minimum of 1,000 FRBs. Furthermore, an increasing sample size of up to 100,000 FRBs will allow to probe the whole range of possible IGMF strengths down to the current lower limits. In my work I have investigated new ways to learn about the cosmic origin of magnetic fields and established useful tools already in use by other scientists to continue this endeavour.