Near- and mid-infrared studies of the Galactic Center and Sagittarius A*

Viehmann, Thomas (2007). Near- and mid-infrared studies of the Galactic Center and Sagittarius A*. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The focus of this thesis lies on the analysis and interpretation of near- and mid-infrared images of the Galactic center, with a view to improving the understanding of this region, especially at longer wavelengths. Multi-band (H, K, L and M, i.e. 1.6, 2.1, 3.78 and 4.66µm) photometry of images with a large field of view results in a new L-band calibration which eliminates anomalous color effects found in previous surveys of the Galactic center stellar cluster. The color data obtained indicates that the average extinction toward the region containing the Northern Arm and Sgr A* is lower than previously assumed, confirming the findings of Scoville et al. (2003). The stellar population of the inner few arcseconds is compared to that situated up to approximately 0.5 arcminutes out from the position of Sgr A*, revealing that the extinction does not increase significantly over the entire field of view of the ISAAC instrument (i.e. 70" x 70"). Using the large number of sources (over 500), the M-band extinction is calculated from the average L-M colors, resulting in a higher value than that of the "standard" extinction law of Rieke & Lebofsky (1985). The L-M color is shown to be a useful diagnostic tool in distinguishing hot and cool stars, when more precise methods (e.g. spectroscopy) are not available. The unusual morphology of the bright mid-infrared source IRS 3 is also discussed. Data from the first VISIR N- and Q-band (approximately 10 and 20 µm) observations (commissioning) of the Galactic center were analysed, resulting in the largest sample of mid-infrared source data for the Galactic center to date (64 sources in total at 8.6 µm). Many stellar sources such as the Helium-emission-line stars IRS 16NE, IRS 16NW and AF/AHH, and the red giants IRS 12, IRS 14NE and IRS 14SW are detected for the first time in the N-band. Combining the VISIR data with shorter wavelength data produced an unprecedented number of spectral energy distributions (SEDs) across the whole 1.6 to 19.5 µm range. These can be grouped according to their properties, resulting in the following classification: 1. Northern Arm embedded sources, 2. lower luminosity bow shock sources, 3. cool stars, 4. hot stars, 5. unknown, including IRS 3. Comparing the data at 11.3 µm with that at surrounding wavelengths reveals sources with intrinsic silicate absorption, which is a sign of dust formation. A group of bright mid-infrared sources situated to the east of the Northern Arm source IRS 5 is briefly discussed, however, their nature remains unclear. Flux densities obtained at the position of Sgr A* (the supermassive black hole at the center of the Galaxy) complement the results of the 2004 multi-wavelength campaign to monitor the emission from Sgr A*, providing tighter constraints to theoretical models attempting to explain both the flared state and the interim-quiescent (IQ) state SED of Sgr A*, especially since it is shown that most of the observed flux density at mid-infrared wavelengths originates from warm dust. A synchrotron self-Compton model with a pure synchrotron component appears to be a promising concept to describe the observed SEDs.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Nah- und midinfrarot-Studien des Galaktischen Zentrums und von Sagittarius A*	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Das Hauptaugenmerk dieser Doktorarbeit liegt auf der Analyse und Interpretation von Nah- und Midinfrarotbildern der Zentralregion der Milchstraße, mit dem Ziel, das Verständnis dieser Region, insbesondere bei längeren Wellenlängen, zu erhöhen. Photometrie von Aufnahmen mit großem Gesichtsfeld (70" x 70") in mehreren Infrarot-Wellenlängenbändern (H, K, L und M, d.h. 1.6, 2.1, 3.78 und 4.66 µm) führt zu einer neuen Flußdichtenkalibration für das L-Band, welche die merkwürdigen Farbeffekte, die in früheren Studien des zentralen Sternhaufens auftraten, eliminiert. Die erhaltenen Farbdaten deuten darauf hin, daß die mittlere Extinktion zum galaktischen Zentrum, insbesondere zu der Region, in der der nördliche Arm der "Minispirale" und Sgr A* liegen, niedriger ist als bisher angenommen. Dies bestätigt die Ergebnisse von Scoville et al. (2003). Der Vergleich der Sternpopulation in den inneren paar Bogensekunden mit derjenigen weiter außen, d.h. bis zu etwa einer halben Bogenminute von der Position von Sgr A* entfernt, ergibt, daß die Extinktion über das gesamte Gesichtfeld des ISAAC-Instrumentes (70" x 70") nicht signifikant zunimmt. Mit Hilfe der großen Anzahl untersuchter Quellen (über 500) läßt sich die M-Band-Extinktion aus der mittleren (L-M)-Farbe bestimmen, was einen höheren Wert als den des "Standard"-Extinktionsgesetzes von Rieke & Lebofsky (1985) ergibt. Es zeigt sich, daß die (L-M)-Farbe ein nützliches diagnostisches Werkzeug darstellt, um heiße und kühle Sterne voneinander zu unterscheiden, insbesondere dann, wenn genauere Methoden (z.B. Spektroskopie) nicht zur Verfügung stehen. Die ungewöhnliche Morphologie der hellen Midinfrarotquelle IRS 3 wird ebenfalls diskutiert. Aus der Analyse der ersten N- und Q-Band-Beobachtungen (ungefähr 10 und 20 µm Wellenlänge) mit VISIR ("Commissioning"-Phase) ergibt sich die bisher umfangreichste Untersuchung von Midinfrarotquellen im Zentrum der Milchstraße (bis zu 64 Quellen bei 8.6 µm). Zum ersten Mal konnten viele stellare Quellen, wie die heißen Helium-Emissionslinien-Sterne IRS 16NE, IRS 16NW und AF/AHH sowie die roten Riesen IRS 12, IRS 14NE und IRS 14SW im N-Band nachgewiesen werden. Durch Kombination der VISIR-Daten mit Daten aus kürzeren Wellenlängenbereichen konnte eine bisher unerreichte Anzahl von spektralen Energieverteilungen (SEDs) über den Nah- und Midinfrarotbereich von 1.6 bis 19.5 µm aufgestellt werden. Diese SEDs lassen sich nach ihren Eigenschaften wie folgt klassifizieren: 1. eingebettete Quellen des nördlichen Arms, 2. Bugwellenobjekte mit niedrigerer Leuchtkraft, 3. kühle Sterne, 4. heiße Sterne sowie 5. Quellen unbekannten Typs, einschließlich IRS 3. Ein Vergleich der Daten bei 11.3 µm Wellenlänge mit denen bei benachbarten Wellenlängen liefert Hinweise auf Quellen mit intrinsischer, durch das Objekt selbst hervorgerufener Silikat-Absorption, welche ein Anzeichen für die Bildung von Staub darstellt. Desweiteren wird eine Gruppe heller Midinfrarotquellen vorgestellt, welche östlich von IRS 5 liegt und ungewöhnliche, bisher nicht erklärte Eigenschaften besitzt. Midinfrarotflußdichten, die an der Position von Sgr A*, dem supermassiven schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, gewonnen wurden, ergänzen die Ergebnisse der Multi-Wellenlängen-Kampagne des Jahres 2004 zur Beobachtung und Überwachung von Sgr A*. Hierdurch werden den theoretischen Modellen, die die spektrale Energieverteilung von Sgr A* sowohl während seiner Nahinfrarot- und Röntgenausbrüche, als auch im Quasi-Ruhezustand erklären sollen, engere Grenzen gesteckt, insbesondere, da gezeigt wird, daß fast die gesamte beobachtete Midinfrarotflußdichte an der Position von Sgr A* von warmem Staub hervorgerufen wird. Es scheint, daß ein Modell mit Synchrotronstrahlung und einem durch Compton-Streuung an derselben Elektronenpopulation erzeugten Anteil höherenergetischer Strahlung (SSC - "Synchrotron Self-Compton") ein vielversprechendes Konzept darstellt, um die beobachteten spektralen Energieverteilungen zu modellieren.

German

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