Universität zu Köln

Markakis, Konstantinos (2015). Galactic Nuclei in the Near-IR Probing the impact of the central engines on their host galaxies. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Galaxies are the building blocks of the large-scale structures of the Universe, but they are also very complicated structures at an individual level. They are observed to have a variety of morphologies, colors, sizes, and general properties. According to the, currently main- stream, Λ cold dark matter (ΛCDM) cosmological model, structures in the Cosmos grow hierarchically. Within this framework, gas-rich, rotationally supported spiral/disk galaxies merge to form the fainter, rapidly rotating ellipticals, objects which are dynamically sup- ported by a combination of pressure due to random motions of stars and ordered rota- tional motions of the stars from the relic disks of the progenitor galaxies. Fainter elliptical galaxies then merge to form giant, slowly rotating, “red and dead” ellipticals, which are dynamically supported by the pressure of the highly randomized motions of their, mostly, old stars. Galaxy mergers, however, do much more than randomizing the orbits of stars, as they also introduce a variety of important implications to galaxy evolution. The “end story” of mergers is, inevitably, to create supermassive black hole (SMBH) binaries and, possibly, SMBH recoils, both of which can transform the central regions of the remnants. Moreover, tidal torques during mergers can remove angular momentum from the gas of the progenitor galaxies and drive it towards the center, a process which can initiate intense central starbursts, while it is also a very effective way to “turn on” their central engines, in a phenomenon known as an active galactic nucleus or AGN. An AGN, in turn, can pro- duce massive energy outflows (i.e. AGN feedback) both in the form of mechanical energy (e.g. winds and jets), as well as, in the form of intense radiation fields, which can affect the evolution of a galaxy, either in a negative (e.g. quenching nuclear star formation) or in a positive way (e.g. jet-induced star formation). In this thesis, I present the case studies of two objects, namely, NGC3718 and NGC5128, using near-infrared (NIR), high resolution, adaptive optics (AO) assisted data taken with the Subaru telescope and the High-Contrast Coronographic Imager for Adap- tive Optics (HiCIAO) instrument. NGC3718 is an exciting object. Its morphological properties point towards a classifi- cation as a polar ring galaxy, which is, likely, the product of a rare case of a galaxy merger, while it is also a low luminosity AGN (LLAGN). The analysis presented here, reveals strong indications for the presence of an SMBH recoil in NGC3718, which is further supported by results from previous studies. Evidence that an SMBH recoil is present include the observed NIR and radio emission spatial offsets, a candidate small-scale X-shaped radio source, an amount of “missing light” in its central region (i.e. ∼ 200 pc), and the relative shift between its broad and narrow H α lines. In an effort to incorporate all these findings into one physically consistent scheme, I extensively discuss a possible interpretation of these results. NGC5128 is also a very interesting object, since it is the host of the powerful radio source Centaurus A (Cen A). Here, I present the analysis of a field located near the northern middle lobe (NML) of the Cen A jet, at a distance of ∼ 15 kpc from the center of the galaxy. This region has long been suspected to have undergone a jet-induced star formation ∼ 10 − 15 Myr ago, which created young blue stars arranged in OB associations. Statistical and photometric analysis of high resolution images of the region reveals the presence of supergiants, with estimated ages consistent with the age of the jet-induced star formation. Finally, throughout this work I underline the great potential of high resolution, ground- based NIR observations in exploring our Cosmos, either regarding the physical processes that occur in the central regions of nearby galaxies, or in resolving extra-galactic dense stellar populations (e.g. OB associations) into individual stars in galaxies beyond our Local Group (LG).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Galaxien bilden auf großen Skalen die Grundbausteine des Universums, gleichzeitig sind sie auf individueller Ebene sehr komplizierte Objekte. Es kann eine große Vielfalt bzgl. Morphologie, Farbe, Größe, sowie anderen allgemeinen Eigenschaften beobachtet wer- den. Das zurzeit vorherrschende Λ kalte dunkle Materie (ΛCDM) kosmologische Mo- dell nimmt eine hierarchische Bildung solcher Strukturen an. In diesem Rahmen werden lichtschwächere und schneller rotierende elliptische Galaxien aus der Verschmelzung von Spiralgalaxien, die durch Rotation aufrecht erhalten werden und eine hohe Gasdichte ha- ben, erzeugt. Die elliptische Struktur wird dann dynamisch durch eine Kombination von Druck, der durch die zufällige Bewegung der Sterne verursacht wird, und der geordne- ten Rotationsbewegung der Sterne auf Bahnen, die ein Relikt der Stammgalaxien sind, zu- sammengehalten. Leuchtschwache elliptische Galaxien fügen sich dann zusammen um gigantische, langsam rotierende, “rote und tote” elliptische Galaxien zu erzeugen, die dy- namisch vom Druck der zufälligen Bewegung der überwiegend alten Sterne getragen wer- den. Während des Zusammenpralls zweier (oder mehrerer) Galaxien werden Prozesse in- itiiert, die, neben der stochastischen Neuordnung der Sternbahnen, eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung spielen. Am Ende dieses Zusammentreffens entstehen ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) Paar und möglicherweise SMBH Recoils (Rück- stöße). Beide Ereignisse haben einen beachtenswerten Einfluss auf den zentralen Bereich der Galaxien nach dem Wechselwirkungsprozess. Außerdem können Drehmomente der Gezeiten den Drehimpuls der interstellaren Materie aus den ursprünglichen Galaxien sen- ken, wodurch eine Bewegung zum Zentrum und damit intensive Starbursts hervorgerufen werden. Gleichzeitig ist dieser Effekt sehr wirksam, um das zentrale Schwarze Loch anzu- treiben. Dieses Phänomen wird als aktiver galaktischer Kern (AGN) bezeichnet. Ein AGN kann massive Ausströmungen von Energie (d.h. AGN feedback) in der Form von Strahlung oder mechanischer Arbeit (z.B. Winde und Jets) produzieren. Diese intensiven Strahlungs- felder können einen negativen (z.B. Erliegen der Sternentstehung im Kern) oder positiven Effekt (z.B. Jet-induzierte Sternentstehung) haben. In dieser Arbeit beschäftige ich mich mit der Analyse von hochauflösenden Daten aus dem nahen Infrarot (NIR), für welche adaptive Optik (AO) benutzt wurde. Diese Daten von den Objekten NGC3718 und NGC5128 wurden vom Subaru Teleskop mit dem High- Contrast Coronographic Imager for Adaptive Optics (HiCIAO) Instrument aufgenommen. NGC3718 ist ein spannendes Objekt. Seine morphologischen Eigenschaften weisen auf eine Klassifikation als Polarring Galaxie hin, die einen seltenen Fall einer Galaxienkol- lision bildet. Gleichzeitig besitzt sie einen AGN schwacher Helligkeit (LLAGN). Die Analy- se, die hier präsentiert wird, zeigt die wahrscheinliche Existenz eines SMBH Recoils. Diese Erkenntnis wird von den Ergebnissen früherer Arbeiten unterstützt. Die Behauptung, dass ein SMBH Recoil präsent ist, wird von den beobachteten räumlichen Verschiebungen der Nahinfrarot- und Radiostrahlung, der relativen Verschiebung zwischen der breiten und schmalen H α Linien, als auch vom Anteil an “verlorenem Licht” in der zentralen Region (d.h. ∼ 200 pc), unterstützt. In einem Unterfangen alle diese Befunde in einem physika- lisch konsistenten Bild zusammenzufassen, werde ich eine mögliche Interpretation dieser Ergebnisse darlegen. NGC5128 ist ebenfalls ein sehr interessantes Objekt, da es die leuchtkräftige Radio- quelle Centaurus A (Cen A) beherbergt. Hier beschäftige ich mich mit der Analyse einer Region in der Nähe von der nördlichen mittleren Keule (NML) des Cen A Jets, welche einen Abstand von ∼ 15 kpc zum Zentrum der Galaxie besitzt. In dieser Region fand vermutlich vor ∼ 10−15 Millionen Jahren Jet-induzierte Sternentstehung statt, die zur Erzeugung von jungen blauen Sternen in OB-Assoziationen geführt hat. Statistische und photometrische Analysen der hochaufgelösten Bilder der Region zeigen die Existenz von Überriesen, deren geschätzte Alter mit dem der Jet-induzierten Sternentstehung übereinstimmen. In dieser Arbeit betone ich außerdem das große Potenzial hochauflösender, bodenge- bundener NIR Beobachtungen, um unseren Kosmos zu erforschen. Im Besonderen be- zieht sich dies auf physikalische Prozesse in inneren Regionen naher Galaxien oder das Auflösen extragalaktischer dichter Sternpopulationen (z.B. OB-Assoziationen) in indivi- duelle Sterne jenseits unserer Lokalen Gruppe (LG). German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Markakis, Konstantinos markakis@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-69100
Date:	31 August 2015
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 Evolution; Extra-galactic Astronomy; Galactic Nuclei; SMBH recoils; Jet-Induced Star Formation; AGN feedback; Supergiants; NIR Image processing; AO data analysis; English
Date of oral exam:	21 October 2015
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, J. Anton Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6910