Universität zu Köln

Merger Dynamics and Stellar Populations in the Host Galaxies of the Quasi-Stellar Objects I Zw 1 and 3C 48

Scharwächter, Julia (2005) Merger Dynamics and Stellar Populations in the Host Galaxies of the Quasi-Stellar Objects I Zw 1 and 3C 48. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The thesis focuses on two case studies of the host galaxies of the quasi-stellar objects (QSOs) I Zw 1 and 3C 48. The studies are motivated by the hypothesis that ultra-luminous infrared galaxies (ULIRGs) might represent the early stage of QSO evolution (Sanders et al. 1988). According to this hypothesis, galaxy mergers and interactions trigger gas inflow which is followed by starburst activity and by the formation of an active nucleus. As likely transitionary objects between the ultra-luminous infrared stage and the QSO stage, I Zw 1 and 3C 48 are promising candidates to investigate the active nucleus, the starburst, and the merger properties as the essential links between all stages of the proposed evolutionary sequence. The case study of I Zw 1 has an observational focus and is based on near-infrared (NIR) imaging and spectroscopy, carried out with ISAAC (Infrared Spectrometer and Array Camera) at the Very Large Telescope of the European Southern Observatory (ESO) on Cerro Paranal in Chile. The two-armed spiral host galaxy of I Zw 1 shows two bright knots in the north and in the west of the optical disk region, respectively. Here, the new ISAAC spectra indicate that the northern object is a projected foreground star, as previously assumed but recently challenged. In the surroundings of the western source, the ISAAC J-band image displays tidal features. This gives further support for the scenario that I Zw 1 is presently in a minor merger process with this source. The new spectra and the NIR colors of the western source indicate an old stellar population. The host of I Zw 1 is analyzed in a one-dimensional structural decomposition into bulge, disk, and halo components, which results in mean J-band mass-to-light ratios. The latter indicate a young mean stellar population in the bulge component, while the disk ratios agree with those of normal spiral galaxies. Such a scenario of younger stellar populations in the central region of the I Zw 1 host is also plausible from a two-color analysis. The nuclear ISAAC spectrum of I Zw 1 basically confirms previous results, by showing hydrogen emission lines and indications of extremely blueshifted high-excitation lines. The case study of 3C 48 is the numerical focus of this thesis and based on simulations with multi-particle methods. The aim is to investigate the major merger scenario for 3C 48 by reproducing a 3C 48 model. Such a model is found for a certain projection angle during the inclined merger of two equal-mass spiral galaxies. It inspirits a new idea for the problem of the apparently missing second tidal tail in 3C 48. For the derived projection angle, this tidal tail is located in front of the main body of the modeled host galaxy and is likely to be missed in observations. In the model, both galaxy centers are still separated. This leaves room to interpret the known second luminosity peak, north-east of the QSO in 3C 48, as the center of the galaxy merging with 3C 48. A central gas accumulation and a complex system of gas lanes develop in the simulation with a non-gravitating gas component added. Both results qualitatively agree with the known distribution of molecular gas in 3C 48. The new results about I Zw 1 and 3C 48 complement the existing assumption that both are likely transitionary objects in the evolutionary sequence.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Basierend auf Daten aus Nahinfrarot-Beobachtungen und numerischen Vielteilchensimulationen werden Fallstudien zu den zwei Quasistellaren Objekten (QSOs) I Zw 1 und 3C 48 vorgestellt. Die Motivation für diese Studien beruht auf der unbewiesenen Hypothese von Sanders et al. (1988), dass Ultraleuchtkräftige Infrarot-Galaxien (ULIRGs) ein Frühstadium von Quasistellaren Objekten darstellen. Die entsprechende Entwicklungssequenz, die zunächst durch starke Sternentstehungsaktivität und später durch die zunehmende Dominanz eines aktiven Galaxienkernes gekennzeichnet ist, könnte durch gravitative Wechselwirkungen und Verschmelzungen von Galaxien und den dadurch verursachten Gaszufluss zum Zentrum initiiert werden. Als vermutliche Beispiele für ein Übergangsstadium zwischen beiden Phasen verkörpern I Zw 1 und 3C 48 interessante Fallstudien, um die drei Kernpunkte der Entwicklungshypothese zu untersuchen: den aktiven Kern, die Sternentstehungsaktivität und die Anzeichen für Galaxienwechselwirkungen. In der Fallstudie zu I Zw 1 liegt der Schwerpunkt auf Beobachtungsdaten, die Bilder und Spektren im Nahinfrarot-Bereich umfassen und mit ISAAC (Infrared Spectrometer and Array Camera) am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf Cerro Paranal in Chile aufgenommen wurden. Die Wirtsgalaxie von I Zw 1 ist eine zweiarmige Spiralgalaxie mit je einer hellen Quelle im nördlichen und im westlichen Teil der Galaxienscheibe. Die hier untersuchten ISAAC-Spektren der nördlichen Quelle deuten auf einen projizierten Vordergrundstern hin und belegen damit trotz jüngster Zweifel die bislang gängige Annahme, dass die Quelle nicht mit der Dynamik von I Zw 1 verbunden ist. Die ISAAC-Bilder unterstützen die Theorie einer gravitativen Wechselwirkung zwischen I Zw 1 und der westlichen Quelle, indem sie Strukturen aufweisen, die Gezeitenverformungen ähneln. Die vermutliche Satellitengalaxie scheint durch eine vorwiegend alte stellare Population gekennzeichnet zu sein. Diese Schlussfolgerung aus den Spektren ist im Einklang mit den aus den ISAAC-Bildern erhaltenen Nahinfrarot-Farben und mit früheren Ergebnissen aus optischen Spektren (Canalizo & Stockton 2001). Die Position der Nahinfrarot-Farben im Zweifarben-Diagramm ist bei der Rotverschiebung von I Zw 1 kein eindeutiger Indikator für das Alter der zugrunde liegenden Sternpopulation, da sich die Rötungseffekte durch Alterung gerade mit denen durch Staubextinktion überlagern. Grundsätzlich ergibt sich aus den Nahinfrarot-Farben von verschiedenen Regionen in der Wirtsgalaxie von I Zw 1 kein Widerspruch zu einer jüngeren Sternpopulation in der Nähe des Zentrums. Eine solche Tendenz deuten die Masse-Leuchtkraft-Verhältnisse an, die sich aus einer eindimensionalen Zerlegung des J-Band-Helligkeitsprofils und der Gas-Rotationskurve von I Zw 1 in eine Bulge-, Scheiben- und Halokomponente ergeben und im Falle des Bulges unter den solaren Werten liegen. Das neue ISAAC-Kernspektrum von I Zw 1 bestätigt die bekannten Ergebnisse des Spektrums von Schinnerer et al. (1998) und deutet ebenfalls stark blauverschobene Positionen für zwei koronale Linien an. In der Fallstudie zu 3C 48, die den numerischen Schwerpunkt der Arbeit darstellt, werden Vielteilchensimulationen zu Galaxienverschmelzungen vorgestellt. Das Ziel ist, durch die Reproduktion eines qualitativen Modells für die Wirtsgalaxie von 3C 48 die vorhandenen Anzeichen für eine starke Galaxienverschmelzung zu analysieren. Ein solches Modell resultiert unter einem bestimmten Projektionswinkel aus der simulierten Verschmelzung zweier inklinierter, gleich schwerer Scheibengalaxien. Es spiegelt die grundsätzliche Morphologie der 3C 48 Wirtsgalaxie wider und die Tendenzen in den von Canalizo & Stockton (2000) veröffentlichten stellaren Sichtliniengeschwindigkeiten. Im Modell ist einer der zwei entstandenen Gezeitenarme vor die Hauptgalaxie projiziert, was einen neuen Lösungsansatz für das Problem des scheinbar fehlenden zweiten Gezeitenarms bei 3C 48 bietet. Da beide Galaxienzentren im Simulationsmodell gerade noch getrennt sind, lässt sich nicht ausschließen, dass das bekannte zweite Helligkeitsmaximum nördlich des Kerns von 3C 48 das Zentrum einer der verschmelzenden Galaxien ist. Die hohen Gasansammlungen im Zentrum und die projizierten Bahnen hoher Gasdichte, die in einer Simulation mit nicht-gravitierender Gaskomponente entstehen, stimmen qualitativ mit den beobachteten Eigenschaften der molekularen Gaskomponente in 3C 48 überein. Die neuen Ergebnisse fügen sich gut in das bestehende Bild ein, nach dem I Zw 1 und 3C 48 einem Übergangsstadium in der vermutlichen Entwicklungssequenz zugeordnet werden und damit wichtige Fallbeispiele in der Kontroverse um die globale Gültigkeit einer entwicklungsmäßigen Verbindung zwischen Ultraleuchtkräftigen Infrarot-Galaxien und Quasistellaren Objekten darstellen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Scharwächter, Juliascharw@ph1.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-14389
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Quasistellare Objekte , wechselwirkende Galaxien , Nahinfrarot-Beobachtungen , VielteilchensimulationenGerman
    quasi-stellar objects , interacting galaxies , near-infrared observations , multi-particle simulationsEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 2005
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 01 February 2005
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 02 May 2005 10:14:33
    Referee
    NameAcademic Title
    Eckart, AndreasProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1438

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