Universität zu Köln

Witzel, Gunther (2012). Intrinsic Near-Infrared Properties of the Variable Source Sagittarius A*. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis on observational astronomy focuses on the highly variable near-infrared source Sagittarius A* (Sgr A*) at the center of the Milky Way, associated with the central super-massive black hole. It is divided in two parts: a comprehensive data description of Ks-band measurements of Sgr A*, covering the last seven years of observations with the Very Large Telescope and the state-of-the-art instrument NAOS/CONICA, and an effort in polarimetric instrumentation, the calibration of the instrumental polarization properties of NAOS/CONICA in the Ks-band. In the first part I characterize the statistical properties of the near-infrared variability of Sgr A*, the electromagnetic manifestation of the Galactic Center super-massive black hole, and find the flux density to be power-law distributed. I cannot confirm the evidence of a two state process with different flux density distributions behind the variability, as reported in other publications. I find a linear rms-flux relation for the flux density range up to 12 mJy on a timescale of 24 minutes. This and the power- law flux density distribution imply a phenomenological, formally non-linear statistical variability model with which I can simulate the observed variability and extrapolate its behavior to higher flux levels and longer timescales. I can show that a bright outburst within the last 400 years, that has been discussed as the possible reason for the X- ray emission from massive molecular clouds surrounding the Galactic Center, can be expected as an extreme value of our statistics without the need for a cosmic event. I give arguments, why data with our time support cannot be used to decide on the question whether the power spectral density of the underlying random process shows more structure at timescales below 100 min compared to what is expected from a red noise random process, as discussed in the context of orbiting hot spots in the accretion flow of the black hole. In the second part I report on the results of calibrating and simulating the instrumental polarization properties of the Very Large Telescope adaptive optics camera system NAOS/CONICA (NACO) in the Ks-band. Here my goal was to understand the influence of systematic calibration effects on the time-resolved polarimetric observations of Sgr A*. I used the Stokes/Mueller formalism for metallic reflections to describe the instrumental polarization. The model is compared to standard-star observations and time-resolved observations of bright sources in the Galactic Center. I simulated the differences between calibration methods and tested their influence on three examples of polarimetric Ks-band light curves of Sgr A*. I find the instrumental polarization to be highly dependent on the pointing position of the telescope and about 4% at maximum. I report a polarization angle offset of 13.2° due to a position angle offset of the λ /2-wave plate with respect to the data-header value that affects the calibration of NACO data taken before autumn 2009. With the new model of the instrumental polarization of NACO it is possible to measure the polarization with an accuracy of 1% in polarization degree. The uncertainty of the polarization angle is ≤ 5° for polarization degrees ≥ 4%. For densely sampled polarimetric time series I find that the improved understanding of the polarization properties gives results that are consistent with the previously used method to derive the polarization of Sgr A*. The difference between the derived and the previously employed polarization calibration is well within the statistical uncertainties of the measurements, and for Sgr A* they do not affect the results from our relativistic modeling of the accretion process.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Im Focus dieser Dissertation steht die hochvariable Strahlungsquelle im Zentrum unserer Milchstraße Sagittarius A* (Sgr A*). Die Arbeit umfasst zwei Teile: eine umfassende Darstellung der vorhandenen Ks-band (Nahinfrarot-) Beobachtungen mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte aus den letzten sieben Jahren und eine Analyse der instrumentellen systematischen Effekte bei polarimetrischen Messungen mit der adaptiven Optik NAOS und der Kamera CONICA. Im ersten Teil charakterisiere ich die statistischen Eigenschaften der Nahinfrarotvari- abilita ̈t von Sgr A*, einer Quelle, die in direktem Zusammenhang mit dem zentralen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße gesehen wird. Ich zeige, dass zur Beschreibung der Flussdichteverteilung ein einfaches Potenzgesetz geeignet ist. Somit kann die an anderer Stelle geäußerte Ansicht, dass die Flussdichteverteilung einen klaren Bruch und somit einen Hinweis auf zwei verschiedene Variabilitätsprozesse gibt, nicht bestätigt werden. Ich weise eine lineare Abhängigkeit der Variabilität von der Flussdichtehelligkeit der Quelle nach. Dieser Befund zusammen mit der Potenz- gesetzverteilung impliziert ein phänomenologisches, formal nicht-lineares statistisches Variabilitätsmodell, mit dem es mir gelungen ist, Lichtkurven zu simulieren, deren Charakteristika und zeitliches Verhalten den beobachteten entsprechen, und die Vorhersagen für - im Beobachtungszeitraum nicht nachgewiesene - höhere Flußdichten und lange Zeitskalen zulassen. Mit diesem Modell lässt sich zeigen, dass ein Helligkeits- ausbruch, wie er möglicherweise in den letzten 400 Jahren stattgefunden hat - wofür ein Lichtecho im Röntgenbereich emittiert von Molekülwolken in der weiten Umgebung von Sgr A* spricht - durchaus als Extremwert der gefundenen Statistik erklärbar ist. Weiterhin kann ich zeigen, dass Aussagen darüber, inwieweit ausgezeichnete Zeitskalen kürzer als 100 min bei dem zeitlichen Verhalten der Variabilität wesentlich sind, mit den hier präsentierten Daten nicht gemacht werden können. Dies ist eine Frage, die im Zusammenhang mit orbitalen Bewegungen in der Akkretionscheibe des Schwarzen Loches nahe am Ereignishorizont diskutiert wird. Im zweiten Teil analysiere ich die instrumentelle Polarisation von NAOS/CONICA, einer Nahinfrarotkamera mit adaptiver Optik. Ziel war es, den Einfluss dieser systematischen Effekte auf Zeitreihen der polarimetrischen Parameter im Falle von Sgr A* zu bestimmen. Hierzu habe ich den Stokes/Mü ̈ller-Formalismus zur Beschreibung der Effekte metallischer Reflektion auf den Polarisationszustand herangezogen. Das so bestimmte Modell der instrumentellen Polarisation wurde mit Beobachtungen von Kali- brationsquellen verglichen. Desweiteren habe ich verschiedene übliche Kalibrationsmethoden in ihrer Wirkung anhand von Simulationen und anhand dreier ausgewählter Lichkurven verglichen. Als Ergebnis habe ich eine deutliche Abhängigkeit der instrumentellen, maximal 4-prozentigen Polarisation von der Ausrichtung des Telekops und außerdem eine fehlerhafte Eichung der Vorzugsrichtung der Verzögerungsplättchens nachgewiesen. Mit dem neuen Modell der instrumentellen Polarisation wird es möglich sein, Genauigkeiten von etwa einem Prozentpunkt im Polarisationsgrad und, im Falle von Quellen mit Polarisationsgraden höher als 4%, 5° Winkelgenauigkeit zu ereichen. Für Zeitreihenmessungen wie im Falle von Sgr A* überwiegen die statistischen Fehler. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Witzel, Gunther gunther_witzel@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Author Witzel, Gunther gunther_witzel@web.de
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-46557
Date:	21 February 2012
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 Astronomy English Galactic Center English Observational Astronomy English
Date of oral exam:	4 April 2012
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zilges, Andreas Prof. Dr. Schneider, Peter Prof. Dr.
Funders:	Universität Köln
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4655