Universität zu Köln

Peißker, Florian ORCID: 0000-0002-9850-2708 (2018). Tracing the Dusty S-cluster Object on its orbit around the supermassive black hole in our galaxy. Near infrared observations with sinfoni at the Very Large Telescope. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

A faint gas cloud called G2 is found in 2011 on its way towards Sgr A* (that is associated with a supermassive black hole) in the center of the Milky Way. Since the first identification of this source (that is called Dusty S-cluster Object in the following), it is traced until spring 2014 in the red-shifted Br-gamma wavelength domain with the SINFONI instrument mounted at the VLT/Chile. It emits not only in the red-shifted Br_gamma domain (with respect to the rest wavelength at 2.1661 µm, the Dusty S-cluster Object (DSO) is also traceable in the red-shifted Pa-alpha and He-I regime. It is claimed, that the object in the years before the periapse (i.e., the closest approach to Sgr A*) already starts to dissolve due to the gravitational force of the black hole. Because of that, a tail is detected that follows the object towards Sgr A*. It is expected, that the 'head' and the 'tail' cause a firework-like event that leads to a bright accretion behavior of Sgr A*. In the observations that take place after May 2014, the emitted and prominent Br-gamma line is observed in the blue-shifted wavelength domain. This indicates that the source passed the supermassive black hole Sgr A*. Furthermore, the object is still intact after the periapse. In this work, a detailed and extensive analysis of the SINFONI data between 2006 and 2015 with a spatial pixel scale of 0".025 and a corresponding field of view of 0".8x0".8 per single data cube with the focus on the DSO is presented. In detail, the position of the DSO in the Br-gamma linemaps is compared to the position of the DSO in the Lucy-Richardson algorithm de- and re-convolved images. The K-band magnitude, as well as the flux from these images, are extracted. The derived orbit is based on the analyzed 10-year survey. Using the position and the velocity of the DSO from the data-cubes, position-velocity diagrams for every year between 2006 and 2015 are presented. Many authors believe that the object is rather a gas cloud than a dust embedded young stellar object. The question, why this topic raises such a controversial point of view, is discussed in this work. Also, the final answer about the nature of the DSO is given. For the analysis, the standard reduction procedure with the SINFONI and EsoRex pipeline is used. Because of not satisfying results, post-data corrections are applied in order to establish various calibration procedures. For the low-pass filtered images, the Lucy-Richardson deconvolution algorithm is applied to K-band images of the Galactic center region around Sgr A*. The analysis shows that the DSO can, without any confusion, be identified in the Br-gamma linemaps between 2006 and 2015. It can also be traced as a compact source in the deconvolved K-band images in every epoch from 2006 to 2015. A comparison between stacked K-band and Lucy-Richardson images show the robustness of the procedure. The derived position-velocity diagrams underline the compact nature of the DSO. These extensive analysis methods reveal a new source that is called OS1. It follows the DSO on a similar orbit around Sgr A* and can explain the claimed tail emission of the DSO. The magnitude and flux extraction show that neither a brightening nor an increase in flux density of the infrared excess source takes place before or after the pericenter passage. The fact that the DSO can be observed in the near-infrared SINFONI data as a compact source between 2006 and 2015 indicates a stellar origin of the object. It is highly unlikely that a non-stellar object, for example, a gas cloud, could survive the pericenter passage of a supermassive black hole and stay compact on a Keplerian orbit especially after the flyby event in 2014. A stretching that leads to the creation of a tail in the epochs before the periapse cannot be confirmed by judging the results in the linemaps, the low-pass filtered continuum images of the GC, or in the position-velocity diagrams.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language 2011 ist die schwach leuchtende Gaswolke G2 auf ihrem Weg in Richtung des supermassiven Schwarzen Lochs, welches mit der Radioquelle Sgr A* assoziiert wird, im Zentrum unserer Milchstraße gefunden worden. Seit der ersten Identifikation dieser Quelle, die im Folgenden Dusty S-cluster Object (DSO) genannt wird, ist sie bis zum Frühling 2014 im rotverschobenen Br-gamma Wellenlängenbereich mit dem SINFONI Instrument, welches im VLT/Chile installiert ist, detektiert worden. Bezogen auf die Ruhewellenlänge bei 2.1661 µm strahlt das DSO nicht nur im rotverschobenen Br-gamma Wellenlängenbereich, sondern auch im rotverschobenen Pa-alpha und He-I Bereich. Es gibt Publikationen, die annehmen, dass sich das Objekt bereits in den Jahren vor der Periapsis, welcher den Punkt mit der geringsten Distanz zu Sgr A* definiert, aufgrund der gravitativen Kräfte des Schwarzen Lochs anfängt aufzulösen. Dementsprechend wird ein Schweif erwartet, der dem Objekt auf dem Weg Richtung Sgr A* folgt. Es wird vermutet, dass der "Kopf" sowie der "Schweif" Akkretionsvorgänge auslösen, die wiederum zu einer erhöhten Aktivität von Sgr A* führen. Allerdings zeigen Beobachtungen, welche nach Mai 2014 stattfanden, dass die emittierende und markante Br-gamma Linie in dem blauverschobenen Wellenlängenbreich zu finden ist. Dies zeigt, dass die Quelle an Sgr A* vorbeigeflogen ist. Es zeigt ebenfalls, dass das Objekt immer noch intakt ist. Entsprechend ist beim DSO nicht von einer Gaswolke auszugehen. Vieles deutet darauf hin, dass die untersuchte Quelle womöglich einen stellaren Kern besitzt. In dieser Arbeit wird die detaillierte Analyse der SINFONI Daten zwischen 2006 und 2015 mit einer räumlichen Pixelskala von 0".025 und einem korrespondierenden Gesichtsfeld von 0".8x0".8 pro einzelnem Datenkubus mit dem Fokus auf das DSO präsentiert. Im Detail wird die Position des DSO aus den Br-gamma Linienkarten extrahiert. Anschließend wird die Linienkartenposition mit der Lage des DSO in den tiefpassgefilterten Bildern verglichen. Von diesen Bildern wird die K-Band Helligkeit, sowie der Fluss extrahiert. Der ermittelte Orbit basiert auf Observationen, die sich über einen Zeitraum von 10 Jahren erstrecken. Mit der Position und der Geschwindigkeit des DSO aus den Datenkuben können Positions-Geschwindigkeitsdiagramme für jedes Jahr zwischen 2006 und 2015 erstellt werden. Für die Analyse wird die Standardreduktion der SINFONI und EsoRex pipeline benutzt. Aufgrund fehlerbehafteter Resultate müssen die Daten nach der Reduktion erneut korrigiert werden. Für die tiefpassgefilterten Bilder wird der Lucy-Richardson Faltungsalgorithmus auf die K-Band Bilder des Galaktischen Zentrums der Region um Sgr A* angewendet. Die Analyse zeigt, dass das DSO, in den Br-gamma Linienkarten zwischen 2006 und 2015 identifiziert werden kann. Es kann ebenfalls als kompakte Quelle in den entfalteten K-Band Bildern in jeder Epoche zwischen 2006 und 2015 verfolgt werden. Ein Vergleich zwischen aufaddierten K-band und Lucy-Richardson Bildern zeigt die Zuverlässigkeit der Prozedur. Die ermittelten Positions-Geschwindigkeitsdiagramme unterstreichen die kompakte Natur des DSO. Diese intensive Analysemethode deckt eine neue Quelle namens OS1 auf. Sie folgt dem DSO auf einem ähnlichen Orbit um Sgr A* und kann die behauptete Schweifemission des DSO erklären. Die Gewinnung der Magnitude und des Flusses zeigt, dass weder ein Aufhellen noch ein Anstieg der Flussdichte der infraroten Quelle vor und nach dem Vorbeiflug am supermassiven Schwarzen Loch stattfindet. Die Tatsache, dass das DSO in den nahinfraroten SINFONI Daten als eine kompakte Quelle zwischen 2006 und 2015 observiert werden kann, deutet einen stellaren Charakter des Objekts an. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass eine Gas- und Staubwolke ihre Struktur bei der Annäherung an ein supermassives Schwarzes Loch beibehält. Es ist ebenfalls anzuzweifeln, dass eine Wolke den Vorbeiflug an Sgr A* als kompakte Quelle auf einem keplerschen Orbit vollziehen kann. Dennoch sind viele Autoren davon überzeugt, das Objekt sei eher eine Gaswolke, als ein in Staub eingebettetes junges stellares Objekt. Die Frage, warum dieses Thema solch einen kontroversen Blickpunkt darstellt, soll ebenfalls in dieser Arbeit diskutiert werden. Auch wird eine mögliche Antwort bezüglich der Natur des DSO gegeben. Eine Vergrößerung des Emissionsbereichs, welche zu der Schweifentstehung in den Epochen vor der Periapsis führt, kann basierend auf den Resultaten der Linienkarten, den tiefpassgefilterten Kontinuumbildern des galaktischen Zentrums oder den Positions-Geschwindigkeitsdiagrammen nicht bestätigt werden. German Waterloostraße, 2 UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Peißker, Florian florianpeissker@gmail.com orcid.org/0000-0002-9850-2708 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-85102
Date:	2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Galaxy: Zentrum German Galaxy: Center English Infrarot: Sterne German Infrared: Stars English Astronomie German Astronomy English Schwarzes Loch German Black hole English
Date of oral exam:	22 June 2018
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, J. Anton Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8510