Universität zu Köln

Zajacek, Michal ORCID: 0000-0001-6450-1187 (2018). Interaction between interstellar medium and black hole environment. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Studying the interaction between the interstellar medium and the black hole environment on the parsec scale is of crucial importance in the full understanding of galaxy evolution. Since the Galactic Centre is the closest galactic nucleus, it offers us the unique possibility to observationally study the dynamics of individual stars as well as the properties of the Nuclear Star Cluster as a whole. This thesis deals with the transition region where the complex interstellar medium in the Galactic Centre meets a rather simple object at the very centre -- most probably a black hole of $4\times 10^6$ Solar masses characterized by only three classical parameters: mass, spin, and electric charge. Recently, a NIR-excess object named DSO/G2 was detected that is moving on a highly eccentric orbit, with the pericentre reached in 2014 at $\sim 2000$ Schwarzschild radii. The monitoring, the analysis of NIR data, and the comparison with models have provided an unprecedented opportunity to constrain the properties of previously unexplored region around Sgr~A* as well as to determine the nature of this enigmatic source. In a series of papers, we explored the dynamics of different scenarios for DSO/G2, its interaction with the ambient medium close to the Galactic centre, and the radiative properties of its NIR continuum emission. The main findings include the asymmetry of the stellar bow-shock evolution along the orbit when the outflow from the Galactic centre is present. Subsequently, using polarimetry measurements and 3D Monte Carlo radiative transfer, we were able to set up a model of a young star with a non-spherical dusty envelope that can explain its compactness, NIR-excess as well as its linearly polarized emission. Finally, we explore a possibility that the DSO and objects with similar characteristics could be candidates for young neutron stars that should be observable in NIR bands with current and future facilities, which can help to resolve the ``missing pulsar paradox''. Approaching the innermost region of the Galactic Centre, we explore the problem of an electric charge associated with Sgr~A*, which is assumed to be zero in most studies. We found that a stable charge can be maintained by several mechanisms. One of the most promising ones is the charging due to the rotating black hole that is immersed in a uniform magnetic field. Realistic values of the charge that we calculated do not influence space-time metric, but can significantly influence the dynamics of plasma in the vicinity of the Galactic centre. Furthermore, we also propose a novel observational test for detecting the signature of the charge using a bremsstrahlung brightness distribution.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen dem interstellaren Medium und der Umgebung des zentralen Schwarzen Loches auf Parsec-Skalen sind von großer Wichtigkeit für das volle Verständnis der Galaxienevolution. Das Galaktische Zentrum als nächstes Galaxienzentrum bietet uns die einmalige Möglichkeit die Dynamik von einzelnen Sternen und des nuklearen Sternhaufens als Ganzen zu beobachten. Diese Dissertation behandelt den Übergangsbereich, in dem das komplexe interstellare Medium im Galaktischen Zentrum auf ein verhältnismäßig einfacheres Objekt trifft, aller Wahrscheinlichkeit nach ein Schwarzes Loch mit einer Masse von $\sim 4 \times 10^6$ Sonnenmassen, das nur durch drei klassische Parameter charakterisiert wird: seine Masse, seiner Spin und seine elektrische Ladung. Vor wenigen Jahren wurde dort das Objekt DSO/G2 entdeckt, das sich auf einem Orbit mit sehr hoher Exzentrizität bewegt und seine Periaps-Position 2014 mit einer Periapsdistanz von ~2000 Schwarzschildradien durchlaufen hat. Der Orbit, das Nahinfrarot-Spektrum und deren Vergleich mit Modellen haben es ermöglicht, bisher unbekannte Eigenschaften der Umgebung von Sgr A* sowie der Beschaffenheit dieser rätselhaften Quelle zu bestimmen. In einer Artikelserie haben wir die Dynamik verschiedener Szenarios für DSO/G2, seine Wechselwirkung mit dem interstellaren Medium nahe des Galaktischen Zentrums und seiner Nahinfrarot-Kontinuums-Strahlungseigenschaften untersucht. Ein wichtiges Resultat ist die Asymmetrie in der stellaren Bowshock Entwicklung in Gegenwart eines Ausflusses vom Galaktischen Zentrum. Weiterhin konnten wir mit polarimetrischen Messungen und 3D Monte Carlo Strahlungstransport-Simulationen ein Modell eines jungen Sterns mit nicht-sphärischer Staubhülle entwickeln, das seine Kompaktheit, seine hohe Nahinfrarot Emission und seine linear polarisierte Strahlung erklärt. Außerdem haben wir die Möglichkeit untersucht, dass das DSO und ähnliche Objekte Kandidaten für junge Neutronensterne sind, die mit heutigen und zukünftigen Observatorien zu beobachten sein sollten und helfen könnten, das „fehlende Pulsar Paradox“ zu lösen. Indem wir uns der innersten Region des Galaktischen Zentrums nähern, stoßen wir auf das Problem der elektrischen Ladung von Sgr A*, die meistens als neutral angenommen wird. Wir stellen fest, dass eine stabile elektrische Ladung durch mehrere Mechanismen aufrechterhalten werden kann. Am Vielversprechendsten ist die Aufladung durch ein rotierendes Schwarzes Loch, das sich in einem homogenen Magnetfeld aufhält. Von uns berechnete realistische Werte für die elektrische Ladung würden die Raumzeit-Metrik nicht beeinflussen, aber durchaus die Dynamik von Plasma im Galaktischen Zentrum. Darüberhinaus schlagen wir einen neuartigen Test vor, mit dem die Charakteristik der elektrischen Ladung durch eine Helligkeitsverteilung der Bremsstrahlung bestimmt werden kann. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Zajacek, Michal zajacek@ph1.uni-koeln.de orcid.org/0000-0001-6450-1187 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-86577
Date:	2 October 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: center UNSPECIFIED black hole physics UNSPECIFIED stars: pre--main-sequence UNSPECIFIED
Date of oral exam:	12 October 2017
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, J. Anton Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8657