Universität zu Köln

Buchholz, Rainer (2011). Near-Infrared Polarimetry and Stellar Classification in the Galactic Center. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Galactic center (GC) is the closest galactic nucleus, offering the unique possibility of studying the population of a dense stellar cluster surrounding a Supermassive Black Hole (SMBH), as well as stellar and bow-shock polarization effects in a dusty environment. The goals of the first part of this work are to develop a new method of separating early and late type stellar components of a dense stellar cluster based on intermediate band filters, applying it to the central parsec of the GC, and conducting a population analysis of this area. Adaptive optics assisted observations obtained at the Very Large Telescope (VLT, run by the European Southern Observatory, ESO) in the Near-Infrared (NIR) H-band (1.6 mum) and 7 intermediate bands covering the NIR K-band (2.18 mum) were used for this. A comparison of the resulting Spectral Energy Distributions (SEDs) with a blackbody of variable extinction then allowed to determine the presence and strength of a CO absorption feature to distinguish between early and late type stars. This new method is suitable for classifying K giants (and later), as well as B2 main sequence (and earlier) stars that are brighter than 15.5 mag in the K band in the central parsec. Compared to previous spectroscopic investigations that were limited to 13-14 mag, this represents a major improvement in the depth of the observations and reduces the needed observation time. Extremely red objects and foreground sources could also be reliably removed from the sample. Comparison to sources of known classification indicates that the method has an accuracy of better than 87%. 312 stars have been classified as early type candidates out of a sample of 5914 sources. Several results, such as the shape of the K-band Luminosity Function (KLF) and the spatial distribution of both early and late type stars, confirm and extend previous works. The distribution of the early type stars can be fitted with a steep power law (beta_1'' = -1.49 +/- 0.12), alternatively with a broken power law, beta_1-10'' = -1.08 +/- 0.12, beta_10-20'' = -3.46 +/- 0.58, since a drop in the early type density seems to occur at ~10''. In addition, early type candidates outside of 0.5 pc have been detected in significant numbers for the first time. The late type density function shows an inversion in the inner 6'', with a power-law slope of beta_R<6'' = 0.17 +/- 0.09. The late type KLF has a power-law slope of 0.30 +/- 0.01, closely resembling the KLF obtained for the bulge of the Milky Way. The early type KLF has a much flatter slope of (0.14 +/- 0.02). These results seem to agree best with an in-situ star formation scenario, although alternatives like the inspiraling cluster scenario cannot be ruled out yet. The second part of this work aims at providing NIR (H-, Ks-, and Lp-band) polarimetry of the stellar sources in the central parsec at the resolution of an 8m telescope for the first time, along with new insight into the nature of the known bright bow-shock sources. Using the NAOS-CONICA (NACO) intrument at the ESO VLT in its polarimetric mode and applying both high-precision photometric methods specifically developed for crowded fields along with a newly established polarimetric calibration for NACO, polarization maps covering parts of the central 30''*30'' (with different coverage and depth in the three wavelength bands) were produced. In addition, spatially resolved polarimetry and a flux variability analysis on the extended sources in this region were conducted. It has been confirmed for this larger sample that the foreground polarization mostly follows the orientation of the Galactic plane, with average values of 4.5 - 6.1% at ~26° (in the Ks-band, depending on the Field-of-View, FOV), (9.3 +/- 1.3)% at 20° +/- 6° (H-band), and (4.5 +/- 1.4)% at 20° +/- 5° (Lp-band, 3.8 mum). In the east of the FOV, higher polarization degrees and steeper polarization angles have been found: (7.5 +/- 1.0)% at 11° +/- 6° (Ks-band) and (12.1 +/- 2.1)% at 13° +/- 6° (H-band). p_H / p_Ks peaks at 1.9 +/- 0.4, corresponding to a power law index for the wavelength dependency of alpha = 2.4 +/- 0.7. These values also vary over the FOV, with higher values in the center. This may indicate the influence of local effects on the total polarization, possibly dichroic extinction by Northern Arm dust. The relation between the Lp- and Ks-band polarization degrees has an average of 0.7-0.8, consistent with previous measurements on a much smaller number of sources. The polarization efficiency in the H- and Ks-band shows the expected power-law dependency on the local extinction. Several of the extended sources, namely IRS 1W, IRS 5, IRS 10W, and IRS 21 show significant intrinsic polarization in all wavelength bands, as well as spatial polarization patterns that are consistent with emission and/or scattering on aligned grains as a polarization mechanism. The bow-shock structure around IRS 21 could be separated from the central source for the first time in the Ks-band, finding the apex north of the central source and determining a standoff distance of ~400 AU, which matches previous estimates. This source also shows a ~50% increase in flux in the NIR over several years. In addition, the Mid-Infrared (MIR) excess sources IRS 5NE, IRS 2L, and IRS 2S have been found to show a significant Lp-band polarization that agrees well with the scenario that these sources are lower luminosity versions of the bright bow-shock sources.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language as Galaktische Zentrum ist der nächst benachbarte galaktische Kern und bietet als solcher die einzigartige Möglichkeit, die stellare Population eines dichten Sternhaufens um ein supermassives schwarzes Loch zu untersuchen. Ebenso kann in dieser Region die Polarisation von Sternen und ausgedehnten Quellen wie sogenannte "bow-shocks" studiert werden. Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war es, eine Methode zur Unterscheidung früher und später Sterntypen eines dichten Sternhaufens basiert auf der Verwendung von Schmalbandfiltern zu entwickeln, diese dann im zentralen Parsek des Galaktischen Zentrums anzuwenden und so die stellare Population dieser Region zu analysieren. Dazu wurden am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) unter Verwendung Adaptiver Optik im Nahinfraroten aufgenommene Daten verwendet (8 Filter, davon ein H-Band Breitbandfilter (1.6 mum) und 7 das K-Band (2.18 mum) abdeckende Schmalbandfilter). Ein Vergleich der so gewonnenen spektralen Energieverteilungen mit einem Schwarzkörperstrahler mit variabler Extinktion erlaubte es dann, das Vorhandensein und die Stärke der CO-Absorption festzustellen, die wiederum zur Unterscheidung von frühen und späten Sterntypen dienen konnte. Diese neue Methode ist geeignet zur Klassifizierung von Riesen bis hinunter zum Spektraltyp K sowie Hauptreihensternen bis einschliesslich B2. Im zentralen Parsec weisen diese Klassen eine Helligkeit von etwa 15.5 mag im K-band auf, was die untere Grenze dieser Methode darstellt. Dies stellt eine grosse Verbesserung gegenüber früheren spektroskopischen Untersuchungen mit einer Helligkeitsgrenze von 13-14 mag dar, sowohl in der Tiefe wie auch in der benötigten Beobachtungszeit. Extrem gerötete Objekte und Vordergrundsterne konnten ebenso zuverlässig aus der Analyse ausgeschlossen werden. Ein Vergleich mit bereits früher klassifizierten Quellen ergab eine Zuverlässigkeit dieser Klassifizierungsmethode von besser als ~87% 312 von 5914 Sternen wurde ein früher Spektraltyp zugeordnet. Mehrere frühere Resultate, wie die Form der K-Band Helligkeitsfunktion (KLF) und die räumliche Verteilung der frühen und späten Spektraltypen, konnten bestätigt bzw. signifikant erweitert werden. Die Verteilung der Sterne frühen Typs folgt einem steilen Potenzgesetz (mit Exponent beta_1'' = -1.49 +/- 0.12), oder alternativ einem abschnittsweisen Potenzgesetz mit beta_1-10'' = -1.08 +/- 0.12, beta_10-20'' = -3.46 +/- 0.58, da bei etwa 10'' ein plötzlicher Abfall in der projizierten stellaren Dichte auftritt. Zusätzlich wurden zum ersten Mal in signifikanter Anzahl Sterne frühen Typs ausserhalb der innersten 0.5 pc detektiert. Die Dichtefunktion der Sterne späten Typs zeigt innerhalb von 6'' einen anderen Verlauf als weiter aussen: die projizierte Dichte steigt dort nach aussen hin an anstatt abzufallen, in Form eines Potenzgesetzes mit beta_R<6'' = 0.17 +/- 0.09. Die KLF der späten Spektraltypen folgt einem Potenzgesetz mit Exponent 0.30 +/- 0.01, was der im Bulge der Milchstrasse gemessenen Helligkeitsfunktion entspricht. Die KLF der frühen Typen ist deutlich flacher, mit einem Exponenten von 0.14 +/- 0.02. Diese Resultate scheinen am besten zu einer Sternentstehung in situ zu passen, d.h. direkt im zentralen Parsec, wobei allerdings alternative Szenarien wie das eines einfallenden jungen Sternhaufens noch nicht ausgeschlossen werden können. Der zweite Teil dieser Arbeit zielte darauf ab, erstmalig Nahinfrot-Polarimetrie der Sterne im zentralen Parsek mit der Auflösung eines 8m-Teleskops zu liefern, zusammen mit neuen Er-kenntnissen über die Natur der bereits bekannten hellen bow-shock-Quellen. Unter Verwendung des polarimetrischen Modus des Instrumentes NACO am ESO VLT und unter Anwendung sowohl von hochpräzisen, speziell für Regionen hoher stellarer Dichte entwickelter photometrischer Methoden als auch einer neu etablierten polarimetrischen Kalibrationsmethode für NACO war es möglich, Polarisationskarten von Teilen der innersten 30''*30'' zu erstellen (mit unterschiedlicher Abdeckung dieses Feldes in den verschiedenen Bändern). Zusätzlich wurden räumlich aufgelöste Polarimetrie und eine Variabilitätsanalyse auf den ausgedehnten Quellen in dieser Region durchgeführt. Für diese gegenüber früheren Untersuchungen deutlich höhere Anzahl an Quellen konnte bestätigt werden, dass die Vordergrundpolarisation grösstenteils der Orientierung der Galaktischen Ebene folgt, mit durschnittlichen Werten von 4.5 - 6.1% bei ~26° (im Ks-Band, abhängig von der betrachteten Region), bzw. (9.3 +/- 1.3)% bei 20° +/- 6° im H-Band und (4.5 +/- 1.4)% bei 20° +/- 5° im Lp-Band (3.8 mum). Im Osten der hier untersuchten Region wurden im Mittel höhere Polarisationsgrade und steilere Polarisationswinkel gemessen: (7.5 +/- 1.0)% bei 11° +/- 6° (Ks-Band) und (12.1 +/- 2.1)% bei 13° +/- 6° (H-Band). p_H / p_Ks ist um 1.9 +/- 0.4 verteilt, was einem Exponenten des Potenzgesetzes der Wellenlängenabhängigkeit der Polarisierung von alpha = 2.4 +/- 0.7 entspricht. Auch diese Werte variieren über das beobachtete Gebiet, mit höheren Werten im Zentrum. Dies kann ein Zeichen sein für den Einfluss lokaler Effekte auf die Gesamtpolarisation, möglicherweise durch Absorption an ausgerichteten Staubkörnern im nördlichen Arm der Minispirale. Das Verhältnis zwischen Lp-Band und Ks-Band Polarisierung nimmt Werte von im Mittel 0.7-0.8 an, ein Wert der konsistent mit früheren Messungen auf einer wesentlich kleineren Anzahl von Sternen ist. Die Polarisierungseffizienz zeigt im H- und Ks-Band die erwartete Abhängigkeit von der lokalen Extinktion in Form eines Potenzgesetzes. Mehrere der ausgedehnten Quellen, IRS 1W, IRS 5, IRS 10W und IRS21, besitzen eine signifikante intrinsische Polarisierung in allen hier betrachteten Wellenlängenbändern. Räumlich aufgelöste Polarisierungskarten dieser Quellen deuten auf Emission oder Streuung an ausgerichteten Staubkörnern als für die Polarisierung verantwortliche Mechanismen hin. Zum ersten Mal konnte ausserdem im Ks-Band die bow-shock-Struktur um IRS 21 von der zentralen Quelle getrennt werden. Der Apex des bow-shock wurde so etwa 400 AU nördlich der Zentralquelle festgestellt, was früheren Abschätzungen (basierend auf anderen Wellenlängen) entspricht. Weiterhin zeigt diese Quelle einen Anstieg ihres Flusses im Nahinfraroten um etwa 50% im Laufe mehrerer Jahre. Im Lp-Band wurde ausserdem für die im Mittel-Infraroten sehr hellen Quellen IRS 5NE, IRS 2L und IRS 2S eine signifikante intrinsische Polarisierung gemessen, die sehr gut dazu passen würde, dass es sich bei diesen Quellen um weniger helle Varianten der hellen bow-shock-Quellen handelte. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Buchholz, Rainer buchholz@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-44820
Date:	19 December 2011
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 Galaxy: center - stars: early-type - stars: late-type - Polarization - dust, extinction - Infrared: stars English
Date of oral exam:	7 December 2011
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4482