Universität zu Köln

IRAS 01072+4954: A laboratory for studying the star formation - AGN relation in the local universe

Valencia-Schneider, Monica Eilene (2013) IRAS 01072+4954: A laboratory for studying the star formation - AGN relation in the local universe. PhD thesis, Universität zu Köln.

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PDF (Doctoral Dissertation Experimental Physik Universitaet zu Koeln) - Accepted Version
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    Abstract

    Most of the galaxies -- if not all -- harbor a supermassive black hole (SMBH) at the center. Observationally, several pieces of evidence suggest that the stellar mass growth of the galaxies and the accretion of matter onto their SMBHs are related to each other in a sort of co-evolution. However, the nature of this relation is still not well understood. Detailed studies of nearby sources are fundamental and indispensable to discover tracers and derive observables that can be used to constrain the properties of the higher-redshift galaxy population. The aim of this Thesis is to study the star formation and the accretion process in the galaxy IRAS 01072+4954 (z~0.023). The main analysis is based on near-infrared (NIR) integral-field spectroscopic observations of the central region ~(1.4 x 1.4) kpc^2, that were performed with Gemini-NIFS on October 2008. The instrument, assisted by the Adaptive Optics system ALTAIR, provides simultaneously high angular and spectral resolution allowing to dissect spatially the nucleus down to few tens of parsecs and probe the stellar and gas kinematics with a resolution of ~24 km/s. The investigation is complemented with measurements at other wavelengths available in the literature. The stellar mass of the galaxy is estimated to ~10^10 Msun based on the constructed surface brightness profile. Its global star formation rate, calculated from the far-infrared photometry, is ~5 Msun/yr. This means that IRAS 01072+4954 is a starburst galaxy, with a stellar-mass doubling time-scale of ~2.5 Gyr. In the bulge the efficiency of the star formation process is found to be >50%, implying a depletion timescale (time in which the gas mass is converted into stars) of ~1 Gyr. The properties of the stellar populations in selected regions on the bulge are studied using the absorption features in the HK-band spectra. Metallicities lower than solar (-1 < [Fe/H] < 0.1) are found across the bulge, whose continuum emission is dominated by young-to-intermediate age stars (5x10^6 - 8x10^8 yr). This combination of properties suggests that the galaxy is moderately young. Most of the stellar population discriminators in the NIR are biased against young supergiant stars. Here, a new spectral index that quantifies the strength of an unexplored feature at 1.55 microns is proposed. This index is sensitive to stars of K-M spectral types and luminosity classes I-III. The nature of the active galactic nucles (AGN) of this source has been a mistery, because, while its X-ray emission is typical of a Type 1 AGN, its optical spectrum does not exhibit the characteristic broad emission lines. A recently proposed `True'-Seyfert 2 type, which is at the odds with the unified model of AGN, could explain these contradictory observations. Here, it is proven that the properties of the AGN are not a matter of obscuration, nor of contrast against the circumnuclear star formation, but probably due to the faintness of the broad line region. If that is the case, IRAS 01072+4954 would power broad lines with widths of only ~450 km/s, one of the narrowest ever detected. If not, it would be one of the most intriguing `True'-Seyfert 2 candidates in the current research on AGN-classification. To characterize the AGN, each of its components is analysed in detail: the torus, the accretion disk, the black hole, and the theoretically expected broad line region. Using several scaling relations, the black hole mass is estimated in MBH~ 10^5 Msun. The different estimates are compared and the validity of these relations for low-MBHs is discussed. In general, pseudobulges and barred galaxies -- like IRAS 01072+4954 -- lie under these correlations. Here, it is shown that if the MBH-L(bulge) and the MBH-M(stars) correlations are broken at ~7x10^7 Msun as some groups have suggested, all MBH estimations for IRAS 01072+4954 agree within the scatter of the correlations. Here, an explicit expression for the MBH-LK(bulge) that includes the aforementioned break is proposed. The estimated accretion-disk bolometric luminosity, Lbol~ 10^42.5 erg/s, implies that the black hole is actively accreting mass at an Eddington rate ~0.2, i.e., Mdot~ 5.5x10^-4 Msun/yr. A tentative classification as Narrow Line Seyfert 1 is proposed for the AGN. The excitation mechanisms of the NIR [FeII] and H2 are studied in order to disentangle the different ionization sources on the bulge.The [FeII] kinematics shows signs of a biconical outflow, while the dominant motion of the ionized and molecular Hydrogen is rotation consistent with that of the stars in the disk. It is shown that the starburst cannot produce the observed outflow leaving the AGN feedback as possible explanation. Finally, the feeding and feedback processes are discussed in the context of the Kennicutt-Schmidt law. IRAS 01072+4954 is probably a unique source, or at least, it is one of the very few galaxies with such extreme star-forming and AGN-accretion properties. According to Heckmann et al. (2004), in the local universe, only ~0.2% of the black holes with MBH<3x10^7 Msun might be active, and they would be responsible for ~50% of the current total mass-accretion. Observations of more sources like IRAS 01072+4954 will help on building the local inventory of highly accreting systems and might help on understanding their effects on the stellar mass growth across the cosmic time.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die meisten aller Galaxien, wenn nicht alle, beherbergen ein supermassives schwarzes Loch (SMBH, supermassive black hole) in ihrem Zentrum. Beobachtungen liefern Indizien dafür, dass das Wachstum der stellaren Masse der Galaxien mit der Akkretion von Materie auf ihre SMBHs in einem evolutionären Sinne verbunden sind. Die genauen Ursachen dieser Beziehung sind allerdings noch nicht verstanden. Detaillierte Untersuchungen von ’nahen’ Objekten sind daher unentbehrlich, um Spuren zu entdecken und Observablen abzuleiten, mit deren Hilfe man die Eigenschaften der weiter entfernten Galaxienpopulation einschränken kann. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Sternentstehung und des Akkretionsprozesses in der Galaxie IRAS 1072+4954 (z ~ 0.023). Der Hauptteil der Analyse basiert auf Nahinfrarot (NIR) Integral-Field Spectroscopy Beobachtungen des zentralen Gebietes der Galaxie ~ (1.4 x 1.4) kpc^2. Diese wurden mit Gemini-NIFS im Oktober 2008 durchgeführt. Unterstützt von Adaptiver Optik (ALTAIR System), liefert das System hohe räumliche und spektrale Auflösung und erlaubt es das Zentralgebiet auf Skalen von 10 pc aufzulösen als auch die Stern- und Gaskinematik mit einer Geschwindigkeitsauflösung von ~24 km/s zu untersuchen. Diese Studie wird ergänzt durch Beobachtungsergebnisse bei anderen Wellenlängen, die der Literatur entnommen sind. Die stellare Masse der Galaxie beträgt schätzungsweise ~10^10 Msun und basiert auf dem gemessenen Oberflächenhelligkeitsprofil. Die globale Sternentstehungsrate ergibt sich aus der Ferninfrarot-Photometrie zu ~5 Msun/yr. Damit kann IRAS 01072+4954 als Starburstgalaxie eingestuft werden, mit einer Verdopplungs- zeitskala der Sternmasse von ~2.5 Gyr. Die Sternentstehungseffizienz im Bulge (der zentralen Verdickung) der Galaxie ist >50%, d.h. dass innerhalb von ~1 Gyr das verfügbare Gas in Sterne umgewandelt wird. Die Eigenschaften der Sternpopulationen werden in ausgewählten Gebieten des Bulges mittels Absorptionslinien im HK-Spektrum untersucht. Dabei ergeben sich Metallizitäten im Bulge, die kleiner als die der Sonne sind (−1 < [Fe/H] < 0.1). Das Kontinuum wird von jungen bis mittelalten Sternen dominiert (5x10^6 - 8x10^8 yr). Dies alles deutet darauf hin, dass die Galaxie relativ jung ist. Zu beachten ist, dass die meisten der Indikatoren für Sternpopulationen im NIR eine Bias gegenüber jungen Überriesen aufweisen. Daher wird ein neuer spektraler Index vorgeschlagen, der die stärke eines bisher unerforschten Feature bei 1.55 micron beutzt. Dieser Index ist sensitiv gegenüber den Sternklassen K-M und Leuchtkraftklassen I-III. Die Natur des aktiven Kerns (AGN) dieser Galaxie ist ein Mysterium, da, obwohl seine Röntgenleuchtkraft typisch für die von type-1 AGN ist, das optische Spektrum keine breiten erlaubten Emissionslinien zeigt. Eine vor kurzem vorgeschlagene Klasse von ‘True’-Seyfert 2 Galaxien, die im Widerspruch zum weitläufig benutzten vereinheitlichten Modell von AGN steht, könnte diese Beobachtungen erklären. Hier wird gezeigt das dies nicht durch Absorption oder den Kontrast bezüglich der zirkumnuklearen Sternentstehung hervorgerufen wird, sondern womöglich durch die ‘Schwäche’ der Broad Line Region. Ist dies der Fall, dann besäße IRAS 01072+4954 mit eine Linienbreite von nur ~450 km/s eine der schmalsten je detektierten breiten erlaubten Komponenten. Andernfalls wäre sie eine der interessantesten ‘True’-Seyfert 2 Kandidaten der gegenwärtigen AGN Forschung. Um den AGN zu charakterisieren, werden im Folgenden seine einzelnen Bestandteile näher untersucht: der Torus, die Akkretionsscheibe, das Schwarze Loch und die theoretisch erwartete Broad Line Region. Unter Benutzung einer Reihe von Skalierungsrelationen wird die Masse des Schwarzen Lochs auf MBH~10^5 Msun geschätzt. Die einzelnen Abschätzungen werden mit anderen Untersuchungen verglichen und im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern geringer Masse auf ihre Gültigkeit hin untersucht, Im allgemeinen liegen Galaxien mit Pseudobulges und Balken, wie IRAS 01072+4954, unterhalt der Korrelationen. Hier wird gezeigt, sind die MBH-L(bulge) und MBH-M(star) Korrelationen bei ~7x10^7 Msun gebrochen, wie es einige Forschergruppen vorschlagen, dann stimmen alle Masseabschätzungen von IRAS 01072+4954 innerhalb der Streuung der Korrelationen überein. Ein explizierter Ausdruck für MBH −LK(bulge) wird präsentiert. Die abgeschätzte bolometrische Leuchtkraft der akkretionsscheibe, Lbol ~ 10^42.5 erg/s, deutet darauf hin, dass das Schwarze Loch aktiv Masse mit einer Rate von ~0.2 akkretiert, d.h. Mdot~ 5.5x10^−4 Msun/yr. Damit fällt IRAS 01072+4954 potentiell in die Klasse der Narrow Line Seyfert 1 Galaxien. Die Anregungsmechismen der NIR Emissionslinen [FeII] und H2 werden untersucht, um die verschiedenen Ionisationsquellen innerhalb des Bulges auszumachen. Die [FeII] Kinematik zeigt Spuren eines bikonischen Ausflusses, wohingegen die vorherrschende Bewegung des ionisierten und molekularen Wasserstoffes konsistent mit der Rotation der Sterne in der Scheibe ist. Es wird gezeigt, dass der Starburst alleine den Ausfluss nicht erklären kann. Somit bleibt eine Wechselwirkung mit dem AGN als Erklärung übrig. Zum Abschluss werden die Speisungs- und Wechselwirkungsprozesse im Zusammenhang mit dem Kennicutt-Schmidt Gesetz besprochen. IRAS 01072+4954 ist wahrscheinlich eine einzigartige Quelle, oder gehört zu einer kleinen Gruppe von Galaxien mit extremen Sternentstehungs- und AGN -Akkretionseigenschaften. Den Ergebnissen von Heckman et al. (2004) folgend, sind nur ~0.2% der Schwarzen Löcher mit MBH< 3x107 Msun aktiv und würden für ~50% der gesamten heutigen Masse-Akkretion verantwortlich sein. Mehr Beobachtungen von Galaxien wie der hier vorgestellten werden dabei helfen ein Inventar von stark akkretierenden Systemen zu erstellen, welches widerum von Bedeutung ist, um die Effekte des Wachstums der stellaren Masse über kosmologische Zeitskalen zu erfassen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Valencia-Schneider, Monica Eilenemvalencias@ph1.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-50735
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Galaxies: Active.English
    Active Galactic NucleiEnglish
    Star FormationEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 05 March 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 18 January 2013
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 04 Apr 2013 15:25:11
    Referee
    NameAcademic Title
    Eckart, AndreasProf. Dr.
    Zensus, J. AntonProf. Dr.
    Tezkan, BuelentProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5073

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