The LRS Double Prism Assembly to be flown on the James Webb Space Telescope and Host galaxies of active galactic nuclei in the near infrared

Fischer, Sebastian (2008). The LRS Double Prism Assembly to be flown on the James Webb Space Telescope and Host galaxies of active galactic nuclei in the near infrared. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The work presented in my thesis covers two aspects of modern astronomy: Observations and instrumentation. Part I of this thesis addresses the design, the development and the qualification of the Low Resolution Spectroscopy Double Prism Assembly (LRSDPA). From an instrumentational point of view, the purpose of the LRSDPA is to make an integration of two prisms, made of Germanium and Zincsulfide, into the imaging module of the mid infrared instrument of the James Webb Space Telescope possible. My design of the LRSDPA answers to several challenging specifications, joining together available envelope, mechanical, thermal, optical and alignment aspects. Both prisms are mounted separately onto a holder via a semi-kinematic interface. The Aluminium components of the demonstration, qualification and flight model all have been manufactured at the mechanical workshop of the 1st Institute of Physics. As it is demanded of all space equipment, the function and performance of the LRSDPA has to be thoroughly demonstrated. The qualification campaign that was conducted in collaboration with the Centre Spatial de Liège, has just been brought to a successful finish. A brief introduction to the James Webb Space Telescope and its mid infrared instrument are given in Chapters 1 and 2. Chapter 3 then describes in detail the scientific capabilities, the design and the qualification of the LRSDPA. The low resolution spectroscopy mode will provide prism slit spectroscopy at a resolution of R=100 and cover the wavelength range from 5µm-10µm. This mode is particularly aiming at spectroscopic analyses of very low surface brightness objects, such as the first light-emitting galaxies that re-ionized the universe shortly after the big bang. This scenario of re-ionization is supposed to happen shortly after the big bang, at redshifts of z=10-15. At these redshifts, the mid infrared wavelength domain gets in particular interesting, because it covers the rest-frame optical and near infrared wavelengths. Near infrared characteristics are also well suited to investigate key properties of host galaxies of active galactic nuclei (AGN), which constitute part II of my thesis. The study of host galaxies of quasi-stellar objects (QSO) is handicapped by the bright nucleus outshining its host, even with state-of-the-art telescopes. Untangling the host from the nucleus is easier for closer AGN, and in the near infrared wavelengths, the contrast in spectral energy distributions of active nucleus and host galaxy favor the detection of the host. For these reasons, we have created a nearby type I AGN sample optimized for near infrared studies, with a redshift limit of z<0.06. Chapter 4 gives a short introduction to the background motivating the selection of this sample. In Chapter 5, I present large scale, near infrared, seeing limited slit spectroscopy and imaging of nine of these AGN, carried out with ISAAC, mounted at the very large telescope (VLT) of the European Southern Observatory. Hydrogen recombination lines are observed in seven of the nine sources of which five show a broad component. In three sources, extended 1-0S(1) rotational-vibrational molecular hydrogen emission is detected. Stellar CO absorption is seen in four sources. In one of these objects, an upper limit of the central mass can be determined from the stellar velocity field. H- and Ks-band imaging allow me to determine the morphology class of the host galaxies. Colors (with supplementary J-band 2micron all sky survey images) show that the four galaxies with detected CO absorption are characterized by an overall strong stellar contribution. After removal of the nuclear point source, the host galaxies show colors typical for non-active spiral galaxies. In chapter 6, I analyze the central kiloparsec of another source included in this sample, HE 0036-5133, using adaptive optics and SINFONI, the integral field near infrared spectrograph of the VLT. This source is mostly famous for its extremely soft X-ray radiation and an X-ray outburst detected during the ROSAT all sky survey in 1990. With the help of different extinction maps and equivalent widths of various stellar absorption lines, the data reveals a deeply hidden nuclear bar and enhanced nuclear star formation, but no prominent sign of extreme QSO-like nuclear activity. In addition, the data supports that the origin of the soft X-ray core is caused by an absent hard X-ray source, rather than a deeply embedded hard X-ray source.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Die LRS Double Prism Assembly des James Webb Space Teleskopees und Wirtsgalaxien aktiver Galaxienkerne im Nah-Infraroten	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Ich widme mich in meiner Doktorarbeit zwei Aspekten moderner Astronomie: Beobachtung und Instrumentierung. Teil I meiner Arbeit handelt von dem Design, der Entwicklung und der Qualifizierung der "Low Resolution Spectroscopy Double Prism Assembly" (die Doppel Prisma Baugruppe für niedrig-auflösende Spektroskopie, LRSDPA). Die Baugruppe ermöglicht den Einbau zweier Prismen aus Germanium und Zink-Sulfid in die Abbildungskamera des mitt-infrarot Instrumentes des James Webb Weltraum Teleskopes. Mein Design des LRSDPA berücksichtigt viele anspruchsvolle Spezifikationen und kombiniert den zur Verfügung stehenden Platz, mechanische, thermische, optische und Ausrichtungs-Aspekte. Beide Prismen werden über eine semi-kinematische Verbindung separat in eine Halterung montiert. Die Aluminium Komponenten des Demonstrations-, Qualifikations- und Flugmodells des LRSDPA wurden alle in der feinmechanischen Werkstatt des I. Physikalischen Institutes hergestellt. Wie es für alle Weltraum-Applikationen üblich ist, muss die Funktion und Regelgüte des LRSDPA durch Tests gründlich dargestellt werden. Die Qualifikationskampagne, die ich in Kollaboration mit dem Centre Spatial de Liege durchführte, wurde kürzlich zu einem erfolgreichen Ende gebracht. Ich gebe eine kurze Einführung zu dem James Webb Weltraum Teleskop und seinem mitt-infrarot Instrument in den Kapiteln 1 und 2. In Kapitel 3 wird im Detail die wissenschaftlichen Möglichkeiten, das Design und die Qualifikation des LRSDPA beschrieben. Die niedrig auflösende Spektroskopie wird Prismen-Schlitz-Spektroskopie mit einer spektralen Auflösung von R=100 über einen Wellenlängenbereich von 5µm-10µm bereitstellen. Diese Betriebsart zielt speziell auf die spektroskopische Analyse von sehr leuchtkraftschwachen Objekten, wie etwa die ersten leuchtenden Galaxien, die das Universum kurz nach dem Urknall zurück-ionisiert haben. Es wird erwartet, dass dieses Szenario der Zurück-Ionisierung bei Rotverschiebungen von etwa z=10-15 geschah. Bei diesen Rotverschiebungen wird das mitt-infrarote Licht besonders interessant, da das im Ruhesystem der Galaxie optische und nah-infrarote Licht in diesen Wellenlängenbereich verschoben werden. Charakteristiken im nah-infraroten Licht eignen sich auch gut, um Schlüsseleigenschaften von Wirtsgalaxien aktiver Galaxienkerne (AGK) zu untersuchen, was in Teil II meiner Arbeit behandelt wird. Die Untersuchung von Wirtsgalaxien Quasi-stellarer Objekte (QSO) wird durch die Tatsache, dass der helle Kern seine Galaxie überstrahlt, beeinträchtigt. Auch unter zuhilfenahme neuester Teleskope bleiben solche Studien schwierig. Den Wirt von seinem Kern zu entwirren, ist leichter für nahe AGK, und im nah-infraroten Licht erlaubt der Kontrast in der Verteilung der spektralen Energiedichte der AGK und Wirtsgalaxien die deutlichste Detektion des Wirtes. Aus diesen Gründen haben wir eine Auswahl an nahen Typ I AGK getroffen, die mit einer Obergrenze für die Rotverschiebung von z<0.06 für Studien bei nah-infraroten Wellenlängen optimiert ist. Kapitel 4 gibt eine kurze Einführung in den Hintergrund, der die Auswahl dieser Quellen motiviert. In Kapitel 5 präsentiere ich nah-infrarote, Seeing-limitierte Schlitzspkroskopie und Aufnahmen von neun dieser AGK, die mit ISAAC am Very Large Telescope (VLT) der europäischen Südsternwarte durchgeführt wurden. Wasserstoff-Rekombinationslinien werden in sieben der neun AGK beobachtet, wovon 5 eine breite Komponente zeigen. Drei Quellen weisen ausgedehnten molekularen Wasserstoff auf. Stellare CO-Absorption wird in vier Quellen entdeckt. Für eine dieser Quellen kann daraus das stellare Geschwindigkeitsfeld und eine obere Grenze für die Schwarzlochmasse bestimmt werden. Über H- und K-Band Aufnahmen bestimme ich die Morphologie der Wirtsgalaxien. Farben (mit zusätzlichen J-Band Aufnahmen des 2Micron All Sky Survey) zeigen, dass jene Quellen mit detektierter CO-Absorption auch insgesamt durch einen starken stellaren Beitrag charakterisiert werden. Nachdem die Punktquelle des Kernes abgezogen wurde, zeigen die Galaxien typische Farben nicht-aktiver Spiral-galaxien. In Kapitel 6 untersuche ich den zentralen Kiloparsec einer weiteren Quelle aus dieser Auswahl, HE 0036-5133. Hierfür benutze ich adaptive Optik und SINFONI, den Integral-Field Spektrographen des VLTs. Diese Quelle ist auffällig durch ihre extrem weiche Röngtgenstrahlung und durch einen Röntgenausbruch, der 1990 während des ROSAT All Sky Surveys detektiert wurde. Mit Hilfe verschiedener Extinktionskarten und Äquivalentbreiten mehrerer stellarer Absorptionslinien zeigen die Daten einen Kern-Balken und erhöhte Sternentstehung im Kern, aber keine markanten Zeichen extremer, QSO-ähnlicher Aktivität. Zusätzlich unterstützen meine Daten, dass die weiche Röntgenstrahlung durch eine fehlende harte Röntgenquelle produziert wird, im Gegensatz zu einer stark eingebetteten harten Röntgenquelle.

German

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