Universität zu Köln

Astrophysical phenomena related to supermassive black holes - Searching for local particularities in the center of the Milky Way and extragalactic nuclei at high angular resolution

Pott, Jörg-Uwe (2006) Astrophysical phenomena related to supermassive black holes - Searching for local particularities in the center of the Milky Way and extragalactic nuclei at high angular resolution. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    All projects aim at pushing the limits of our knowledge about the interaction between a galaxy and a supermassive black hole (SMBH) at its center. The development of a new instrument can be as valuable as combining different datasets. I follow both approaches and developed projects which deal with new instrumentation and telescope technology, combine datasets from different wavelengths and resolutions, and incorporate recent theoretical models and predictions, which can be verified empirically. The first two of the six chapters compile astrophysical and technical background of the individual projects, which are presented in the following four chapters. While the first project (Chapter 3) deals with observations of the innermost parsec of our Galaxy, Chapter 4 presents data of the inner kpc of an active galaxy. The subjects of Chapters 5 and 6 are very luminous AGN/host systems, so-called QSOs. Whereas Chapter 5 presents global, spatially unresolved properties of SMBH/host systems, the radio jet, analyzed in the final Chapter 6, combines all size scales. It is investigated from close to its origin out to several kpc. The accretion onto the black hole of the Milky Way (Chapter 3) is extremely inefficient and the SMBH possibly interacts dominantly via tidal forces only. The next discussed system (Chapter 4) is the prototype of moderately luminous Seyfert 2 AGN, NGC 1068. Here a strong local influence of the nuclear X-ray radiation is observed. Chapter 5 deals with the possible global importance of radiative interaction between highly luminous QSO AGN and the host. The radio jet in Chapte 6 definitely shows signs of interaction with the matter of its host several kpc away from the nucleus. Chapters 3-6 include a dedicated introductory and a conclusive section, which put the results obtained in the larger astrophysical context of the observation. Chapter 3 deals with the pioneering interferometric infrared study of stellar sources and their surroundings in the immediate vicinity of the SMBH at the center of the Milky Way. I was able to use the resolving power of an optical large baseline interferometer (OLBI) to investigate for the first time the different structures and excitation conditions of interstellar and circumstellar dust in 200 mpc distance to the SMBH. It is unknown whether the standard models for star and dust formation, which themselves dominate the infrared appearance of an inactive galaxy as the Milky Way, still apply under the strong tidal forces of gravity, exerted by the central SMBH. The VLTI observations, described in Chapter 3, are the first observations of stellar interferometry in the infrared, which target objects through the 25 magnitudes of optical extinction along the line of sight toward the GC. One motivation for these observations, in addition to the direct scientific intention, was to create a showcase for advanced optical interferometry applications at the GC. An important part of the thesis is the detailed analysis of the achievable accuracy of the interferometric measurements. Such a precision study under the challenging conditions of off-axis optical AO guiding and faint target brightnesses close to the system limits has not been published before. For the first time I can present results that show that the direct zone of dust formation around the deeply embedded star is observable. The temperature, derived from the spectral properties, and the spatial size, as derived from the high resolution interferometric dataset, show the cool star nature of the object. The following Chapter 4 reports on the first extragalactic sub-mm spectra of the innermost region in the Seyfert 2 prototype NGC 1068 with the new APEX telescope facility. The emission of the molecular rotational excitation lines CO(J=3-2) and HCN(J=4-3) were observed during the instrument testing phase. In Chapter 5, I present the results of the search for rotational line transitions at 80 GHz, in particular the 1-0 transition of the HCN molecule. It traces gas densities larger than 10^4 cm^-3 and is therefore a better quantitative tracers of the regions where star formation actually occurs than the stronger CO(1-0) transition, which correlates to the total amount of molecular gas which could be transformed into stars. The observed galaxies host a luminous quasar in their core. I investigate the hypothesis of an amplification and extension of this effect in high luminosity AGN from local nuclear to global galactic scales. In the last chapter, I analyze the physical properties of the radio jet in the radio loud quasar J1101+7225, which shows exceptionally far away from its nuclear origin (4 kpc) high relativistic motions. I follow the jet down to the hundred pc scale. The full analysis of the radio properties reveals an exemplary radio jet, which shows a complex inner structure including a possibly helical morphology.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Heutzutage geht man davon aus, dass zumindest in den meisten grossen Galaxien, die eine zentrale Verdickung in der Sternverteilung aufweisen, den sog. bulge, sich im Zentrum ein supermassives schwarzes Loch (SMSL) befindet. Diese SMSL können von einigen Millionen Sonnenmassen zu vielen Milliarden Sonnenmassen schwer sein. Die Existenz einer solchen enormen Massenkonzentration in Form eines schwarzen Lochs hat weitreichendere Auswirkungen, als die blosse Attraktion der umgebenden Materie. Die meist rotierende akkretierte Materie bildet eine sogenannte Akkretionsscheibe aus, die potentielle Energie z.B. über die magnetische Wechselwirkung in Strahlungsenergie umwandeln kann. Dieser Prozess kann bis zu hundert Mal stärker sein, als die Kernfusion, die das stellare Leuchten des allnächtlichen Sternenhimmels hervorruft. Galaxien, in deren Zentren eine solche leuchtende Akkretionsmaschine sitzt, werden aktive Galaxien genannt. Es ist anzunehmen, dass in den leuchtkräftigsten aktiven Galaxien auch die Wechselwirkung zwischen aktivem Kern und der umgebenden Galaxie am grössten ist. Tatsächlich sind z.B. Radiojets von sehr leuchtkräftigen aktiven Galaxien beobachtet worden, die aus dem allerinnersten mit sehr hoher Geschwindkeit einen Elektronenstrahl ausstossen, der bis weit in die umgebende Galaxie hinreichen und dort mit der Umgebung wechselwirken kann. Auch Sternentstehung in der Galaxie kann durch eine Wechselwirkung mit dem Zentralkörper angeregt oder verhindert werden und Untersuchungen haben gezeigt, dass die Leuchtkraft der stellaren Verdickung mit der Masse des zentralen SMSL korreliert, obwohl der bulge nicht unter dem direkten gravitativen Einfluss des schwarzen Lochs steht. Die Erforschung solcher Wechselwirkungen innerhalb eines SMSL/Galaxie-Systems ist oft durch die Entwicklung neuer Beobachtungstechniken vorangetrieben worden. Neuere, empfindlichere Instrumente können sowohl näher an die Zentralmasse heran, als auch besser weiter entfernte SMSL/Galaxie-Systeme beobachten, die typischerweise einen höheren Anteil von sehr aktiven Galaxien haben. Die Entwicklung neuer Beobachtungstechnologien ist für die astrophysikalische Forschung von zentraler Bedeutung. Ich stelle in der vorliegenden Arbeit sowohl Projekte vor, in denen neue Technologien getestet und eingesetzt werden, als auch Projekte in denen mit anerkannten Methoden neue Erkenntnisse über SMSL/Galaxien Systeme gesammelt werden. Alle Projekte sind im Forschungsgebiet der Wechselwirkung zwischen einer Galaxie und einem SMSL im Zentrum der Galaxie angesiedelt. Nach einer zusammenfassenden Darstellung der kompletten Arbeit ("summary") und deren Einbettung in den aktuellen astrophysikalischen Forschungszusammenhang folgen Einführungen in die astronomischen (Kapitel 1) und technischen Grundlagen (Kapitel 2), die für das Verständnis der Arbeit unerlässlich sind. In Kapitel 3 berichte ich von den ersten Messungen mit dem optischen Interferometer der Europäischen Südsternwarte (ESO), dem sog. VLTI in Chile. Ich habe anhand von Messungen einiger staubumhüllter Sterne in der zentralen Bogensekunde der Milchstrasse gezeigt, dass das VLTI bereits in seiner jetzigen begrenzten Ausbaustufe wissenschaftlich interessante Beiträge zur Erforschung der Stern- und Staubentstehung im Einflussbereich des SMSL lieferen kann. In diesem Kapitel werden sowohl die verschiedenen neuen Beobachtungsmöglichkeiten als auch direkte Anwendungen dargestellt. Die folgenden Kapitel beschäftigen sich mit verschiedenen extragalaktischen Forschungsthemen, in denen aber immer die Wechselwirkung zwischen einem aktiven Galaxienkern, hinter dem ein SMSL vermutet wird, und der umgebenden Galaxie im Vordergrund steht. In Kapitel 4 zeige ich, dass das neue sub-mm Teleskop der ESO bereits in der Lage ist, breite extragalaktische molekulare Emissionslinien zu messen, die Hinweise auf den Anregungszustand und -mechnismus des molekularen Gases liefern. Es wird vermutet, dass zumindest ein Teil des molekularen Gases als Futter für den zentralen Akkretionsprozess ein wichtige Rolle spielt. In Kapitel 5 stelle ich die Suche nach Hinweisen auf dieses dichte molekulare Gas in SMSL/Galaxie Systemen dar, die von sehr leuchtkräftigen aktiven Kernen dominiert sind. Ziel ist es, über die bekannten Anregungsmechnismen durch Sternentstehung hinaus Hinweise auf direkte Interaktion der Schwarzlochstrahlung mit dem molekularen Gas zu finden, die in einigen wenigen leuchtschwachen aktiven Kernen naher SMSL/Galaxie-Systemen bereits beobachtet wurde. Im Kapitel 6 der Arbeit wird mit der hochauflösenden Methode der Radiointerferometrie mit sehr langen Basislinien der Radiojet eines radio-lauten Quasars von der Nähe seiner inneren Entstehungsregion bis weit in die umgebende Galaxie hinein verfolgt. Ich kann sehr hohe Geschwindigkeiten in ungewöhnlich weiter Entfernung von dem Ursprung des Jets nachweisen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Pott, Jörg-Uwepott@ph1.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-19370
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Interferometrie (optisch und radio), Galaktisches Zentrum, AGN, MoleküllinienGerman
    Interferometry (optical and radio), Galactic Center, AGN, molecular linesEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 2006
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 16 January 2007
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 14 Feb 2007 09:37:13
    Referee
    NameAcademic Title
    Eckart, A.Prof. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1937

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