AbstractsAstronomy & Space Science

Instrumentation and analysis for observations of the Sunyaev-Zel'dovich effect from galaxy clusters with the APEX-SZ experiment

by James Kennedy




Institution: McGill University
Department: Department of Physics
Degree: PhD
Year: 2015
Keywords: Physics - Astronomy and Astrophysics
Record ID: 2062564
Full text PDF: http://digitool.library.mcgill.ca/thesisfile130370.pdf


Abstract

Clusters of galaxies are the largest gravitationally bound objects in the Universe. Their size makes them unique and powerful tools for cosmology and the study of astrophysical processes. The hot gas that resides between the galaxies constitutes the majority of the baryonic matter in the cluster, and can be detected through its emission processes as well as its effect on the cosmic microwave background (CMB) radiation in a process known as the Sunyaev-Zel'dovich effect (SZE).This thesis describes the Atacama Pathfinder EXperiment Sunyaev-Zel'dovich (APEX-SZ) project. This experiment was the first large-array TES bolometer instrument and observed galaxy clusters through the SZE. APEX-SZ employed 280 TES detectors and operated for 875 hours over five years, making targeted observations of 42 galaxy clusters. The scientific motivation for the APEX-SZ experiment is given, along with a description of the general instrumentation for a large-array TES bolometer receiver. In addition, an electronic temperature readout and control board, developed at McGill and operated by multiple CMB experiments, is presented. The data calibration and analysis of the APEX-SZ data is discussed, along with the SZE measurements from galaxy clusters and their scaling-relations with X-ray data. Les amas de galaxies sont les structures les plus grosses de l'univers qui sont gravitationnellement liées. Leurs dimensions font d'elles des outils uniques et puissants afin d'étudier la cosmologie et les processus astrophysiques. Le gaz chaud présent entre les galaxies constitue la majorité de la matière baryonique de ces amas. Ce gaz peut être détecté par la détection des photons qu'il émet ainsi que par son effet sur le rayonnement cosmologique fossile (CMB) connu sous le nom de l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZE). Cette thèse décrit le projet Atacama Pathfinder EXperiment Sunyaev-Zel'dovich (APEX-SZ). Cette expérience a été la première à utiliser un grand plan focal de bolomètres en transition supraconductrice. Il a été utilisé pour observer des amas de galaxies via l'effet Sunyaev-Zel'dovich. APEX-SZ a utilisé 280 bolomètres en transition supraconductrice pendant 760 heures sur une période de plus de cinq ans, permettant l'observation ciblée de 42 galaxies. L'instrument de l'expérience APEX-SZ est d'abord décrit en plus des buts scientifiques de l'expérience. Un circuit électronique imprimé permettant de lire et de contrôler la température de l'instrument qui a été développé à l'Université McGill et qui est utilisé par plusieurs expériences étudiant le rayonnement cosmologique fossile est ensuite décrit. L'étalonnage et l'analyse des données obtenues par l'expérience APEX-SZ sont discutés tout comme les mesures de l'effet Sunyaev-Zel'Dovich sur le rayonnement cosmologique fossile par les amas de galaxies. Les relations d'échelle entre l'effet Sunyaev-Zel'Dovich et les données obtenues dans le spectre des rayons-X obtenue pour ces amas de galaxies sont finalement discutées.