Universität zu Köln

Mouawad, Nelly (2005). Mass Distribution at the Galactic Centre. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In the framework of this PhD thesis, the study of the distribution of an extended mass close to the super-massive black hole (SMBH) at the centre of our Galaxy is addressed using observational data and theoretical modelling. The main emphasize is on establishing a distinction between the fraction of dark mass present in the form of a black hole and that in an extended form. Despite the significant observational and theoretical progress in the understanding of SMBHs in the last ten years, the formation of SMBHs and the interplay with their host galaxy are still poorly understood. The work presented here extends our understanding of the dynamics in the vicinity of the SMBH. Already in 1974, it was proposed that the radio source SgrA* could be a SMBH. With observations during the following years, it became more clear that the centre of our Galaxy hides an amount of dark mass close to 3 million solar masses. However, the strongest evidence for the existence of a SMBH, was only after it became possible to trace for the first time stellar orbits of fast moving stars, the so-called S-stars, around SgrA*. This was achievable using the SHARP near-infrared speckle camera at la Silla in Chile as well as the near-infrared camera NAOS/CONICA at the Very Large Telescope (VLT) at Paranal in Chile. In collaboration with the near-infrared group at the Max-Planck-Institut for Extra-terrestrial Physics in Garching by Munich, I used the imaging data on the Galactic Centre to study the stellar distribution, and used proper motion and radial velocity data to study the motion of the S-stars at the Galactic Centre. In order to investigate the distribution of mass around the black hole, in this work, stellar orbits are modelled assuming an extended mass potential, in addition to the potential of the black hole. I study the orbits in both Keplerian and non-Keplerian potentials. This is the first study of this kind combining observational data and theoretical modelling. This work shows also the first approach where the mass-to-light ratio (M/L) is considered to be varying from the outer regions to the inner regions of the galaxy. From earlier dynamical studies on galaxy evolution, it is widely agreed upon the M/L increasing in the inner regions of a galaxy. This implies that there could exist an additional quantity of hidden mass close to the centre. Here, I study explicitely possible candidates for this hidden component - faint, low-mass stars and heavier compact remnants. In practice, meaningful analysis is only possible on the star S2 which shows the shortest orbital period and therefore the most complete orbit of all other S-stars. A fourth-order Hermite integrator, which I optimized for this study, is used to model the S2-orbit in response to the SMBH potential as well as an additional extended mass distribution. A grid method is implemented to the Hermite scheme to fit the S2 orbit to the positional and velocity data available from the year 1992 till 2003. I was able to confirm the position of the black hole candidate SgrA*, to determine an upper limit on the total amount of mass that could be present in the central 20 mpc and extended into the outer regions of the central stellar cluster, as well as to deduce an upper limit on the M/L. This work leads to the results that the total central dark mass is not necessarily confined entirely in a SMBH. A fraction <20% of this mass could be present in an extended distribution. Testing different distributions for this extended mass component, it turned out that the present data do not suffice to discriminate between the different potentials. In order to study the constituents of the possible extended dark component, I investigate the K-band luminosity function (KLF) of the observed stellar cluster. The result is that, the extended mass cannot be formed only by faint, low-mass stars. The presence of stellar black holes and neutron stars is required in order to account for the possible extended mass fraction in the centre of the Milky Way. Furthermore, such a cluster of stellar remnants analysed in an approximative analytical form, is found to be stable.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Massen Verteilung im Galaktischen Zentrum German Mass Distribution at the Galactic Centre English
Translated abstract:	Abstract Language Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird die Verteilung ausgedehnter Masse nahe dem supermassiven Schwarzen Loch (SMBH) im Zentrum unserer Galaxie mit Hilfe von Beobachtungsdaten und theoretischer Modellierung untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Ausarbeitung einer Unterscheidung zwischen dem Anteil der dunklen Masse, der in Form des Schwarzen Loches vorliegt, und dem Anteil, der in ausgedehnter Form existiert. Obwohl Beobachtungen und theoretische Studien in den letzten zehn Jahren einen bedeutenden Fortschritt bezüglich des Verständnisses Schwarzer Löcher gebracht haben, wirft die Entstehung Schwarzer Löcher und ihre Wechselwirkung Smit der Wirtsgalaxie noch immer viele Fragen auf. Die hier durchgeführte Arbeit vertieft unser Verständnis der Dynamik in der Nachbarschaft des SMBH. Bereits 1974 wurde vorgeschlagen, dass es sich bei der Radioquelle SgrA* um ein SMBH handeln könnte. Seitdem haben Beobachtungen gezeigt, dass unsere Galaxie eine dunkle Masse von 3 Millionen Sonnen Massen im Zentrum verbirgt. Der bisher stärkste Beweis für die Existenz eines SMBH ergab sich, als es zum ersten Mal möglich wurde, die Bahnen schnell SgrA* umlaufender Sterne (die sogenannten S-Sterne) zu verfolgen. Dies wurde erreichbar durch neue Instrumente, wie die Nahinfrarot-Speckle-Kamera SHARP auf La Silla in Chile, sowie die Nahinfrarot-Kamera NA-OS/CONICA am Very Large Telescope (VLT) auf Paranal in Chile. In Zusammenarbeit mit der Nahinfrarot-Gruppe am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching bei München, benutze ich die bildgebenden Daten vom Galaktischen Zentrum, um die Sternverteilung zu untersuchen, und die Daten der Eigenbewegungen und Radialgeschwindigkeiten, um die Bewegung der S-Sterne zu studieren. In der hier vorgestellten Analyse der Massenverteilung um das Schwarze Loch werden Sternbahnen modelliert, indem zusätzlich zum Potenzial des Schwarzen Loches ein Potenzial ausgedehnter Masse vorausgesetzt wird. Ich untersuche die Sternbahnen sowohl in keplerschen als auch auch in nicht-keplerschen Potenzialen. Dies ist die erste Studie dieser Art, die Beobachtungsdaten mit theoretischer Modellierung verbindet. Auch zeigt diese Arbeit das erste Mal einen Ansatz, in dem das Masse-Leuchtkraft-Verhältnis (M/L) von den außeren zu den inneren Regionen variiert. Basierend auf früheren dynamischen Studien zu Galaxienentwicklung wird üblicherweise angenommen, dass das M/L zu den inneren Regionen einer Galaxie hin zunimmt. Dies impliziert, dass eine zusätzliche Menge verborgener Masse nahe dem Zentrum existieren könnte. In dieser Doktorarbeit untersuche ich explizit mögliche Kandidaten für diese verborgene Komponente - schwache massearme Sterne und schwerere kompakte Sternüberreste. In der Praxis ist eine sinnvolle Analyse nur für den Stern S2 möglich, der die kürzeste Bahnperiode und damit die vollständigste Bahn aller S-Sterne aufweist. Ein Hermite-Integrator vierter Ordnung, den ich für diese Studie optimiert habe, wird benutzt, um die S2-Bahn zu modellieren. Eine Gittermethode ist in das Hermite-Schema implementiert worden, um die Positions- und Geschwindigkeitsdaten für die S2-Bahn aus den Jahren 1992 bis 2003 anzupassen. Es ist mir möglich, die Position des Schwarzloch-Kandidaten SgrA* zu bestätigen. Darüber hinaus kann ich eine obere Grenze für die Gesamtmasse in den zentralen 20 mpc bestimmen. Aus diesen Werten kann eine obere Grenze für das M/L abgeleitet werden. Die Arbeit führt zu dem Ergebnis, dass die gesamte dunkle Masse im Zentrum nicht notwendigerweise g\"anzlich auf ein SMBH beschränkt ist. Ein Bruchteil < 20% dieser Masse könnte in einer ausgedehnten Verteilung vorhanden sein. Erprobung mehrerer Verteilungen für diese ausgedehnte Massenkomponente zeigt, dass die vorhandenen Daten nicht ausreichen, um zwischen den verschiedenen Potenzialen zu unterscheiden. Um die Bestandteile der möglicherweise ausgedehnten dunklen Komponente zu analysieren, untersuche ich die K-Band Leuchkraftfunktion (KLF) des beobachteten Sternhaufens. Es ergibt sich, dass die ausgedehnte Massenkomponente nicht nur aus schwachen massearmen Sternen zusammengesetzt sein kann. Stellare Schwarze Löcher und Neutronensterne sind notwendig, um den möglicherweise ausgedehnten Massenanteil zu erklären. Solch ein Haufen aus Stern-überresten erweist sich in einer näherungsweise analytischen Studie als stabil. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mouawad, Nelly nall_m@yahoo.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-15079
Date:	2005
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Galaktisches Zentrum, Stellare Dynamik, Schwarzes Loch, Stern Haufen German Galactic Centre, Stellar Dynamics, Black Hole, Stellar Cluster English
Date of oral exam:	19 June 2005
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1507