Universität zu Köln

Meyer, Leonhard (2008). The near-infrared activity of Sagittarius A*. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The meaning of my thesis was to obtain new insights about the supermassive Black Hole in the center of our Milky Way and its accretion flow. The non-thermal radio, X-ray, and near-infrared source Sagittarius A* (Sgr A*) is the electro-magnetic manifestation of the Black Hole. Sgr A* is a unique source to study the accretion onto a very massive compact object as it is the closest galactic nucleus. For this work I conducted observations as well as theoretical computations. The near-infrared camera CONICA in combination with the adaptive optics device NAOS at ESO's Very Large Telescope in Chile were used for the observations. The goal of our group was in particular to find further evidence for a quasi-periodic signal of ~17 minutes in radiation outbursts from Sgr A* that has been reported for the first time in 2003. The radiation outbursts - most often termed `flares' - are periods of ~50 - 130 minutes in which the flux of Sgr A* in the near-infrared rises up to a factor of ten. The quasi-periodic sub-structure thereby manifests itself as sub-flares with a constant separation superimposed on the larger, underlying flare. In 2005 and 2006 we were able to detect a significant periodicity, hence the previous findings are supported. Furthermore, we conducted polarimetric measurements of the radiation outbursts in the near-infrared. They offer the unique possibility to look for traces of spacetime curvature close to the event horizon of Sgr A* and to constrain its parameters. In order to achieve this, I have chosen the model of a relativistically orbiting plasma blob to fit the observed polarimetric lightcurves. Such a confined and coherent plasma region which is brighter than the rest of the accretion flow may be created e.g. via magnetic reconnection. It is obvious that such an `hot spot' has to orbit very close to the event horizon in order to match the timescale of ~17 min. In this region the effects of Special and General Relativity like e.g. Doppler shifts, lensing, aberration and the change of the polarization vector of the emitted radiation are of enormous importance. To take all these effects into account, relativistic ray tracing computations are needed. I conducted such calculations using the KY code of the Astrophysics group at the Czech Institute of Sciences in Prague. Having a model and the methods at hand, I was able to fit the observed variability in the flux, the polarization angle and the polarization degree of Sgr A*. I showed that the model of an orbiting hot spot leads to an excellent description of the data. Although I neglected the (unknown) detailed hydrodynamics of the blob and put the major role on the relativistic effects, the model fits the observations well. Furthermore, the calculation of confidence contours allowed to exclude a big part of the parameter space for Sgr A*. I was able to constrain the dimensionless spin parameter to a>0.5, the inclination to i>25 degree, and the position angle of the normal to the equatorial plane of the Black Hole to 60deg < theta < 105deg on a 3sigma level.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Die Nahinfrarot-Aktivität von Sagittarius A* German
Translated abstract:	Abstract Language Das Ziel meiner Doktorarbeit war es, neue Erkenntnisse über die Eigenschaften des supermassiven Schwarzen Loches im Zentrum unserer Milchstraße und seinen Akkretionsfluss zu gewinnen. Die nicht-thermische Radio-, Nahinfrarot- und Röntgenquelle Sagittarius A* (Sgr A*) ist die elektromagnetische Manifestation des Schwarzen Loches. Sgr A* ist eine einzigartige Quelle zur Erforschung von Akkretion auf ein sehr massives kompaktes Objekt, da es den mit Abstand nächsten Galaxienkern bildet. Für diese Arbeit habe ich sowohl Beobachtungen als auch theoretische Berechnungen durchgeführt. Für die Beobachtungen wurde die Nahinfrarotkamera CONICA in Verbindung mit dem System für adaptive Optik, NAOS, am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte verwendet. Hierbei war das Ziel unseres Teams ganz konkret, weitere Hinweise für ein quasi-periodisches Signal von ~17 Minuten in Strahlungsausbrüchen zu finden, welches 2003 zum ersten Mal beobachtet wurde. Die Strahlungsausbrüche - meistens als "flare" bezeichnet - sind Ereignisse von ~50-130 Minuten Länge, während derer der Fluss von Sgr A* im Nahinfraroten bis zu einem Faktor zehn ansteigt und wieder abfällt. Das periodische Signal äußert sich dabei in Form von Spitzen, die in annähernd konstantem Abstand auftreten. Sowohl 2005 als auch 2006 konnten wir erneut eine statistisch signifikante Periodizität finden und damit das vorherige Ergebnis bestätigen. Darüber hinaus haben wir polarimetrische Messungen der Strahlungsausbrüche im Nahinfraroten durchgeführt. Diese bieten die Möglichkeit, nach Spuren der starken Krümmung der Raumzeit in der Nähe des Ereignishorizontes von Sgr A* zu suchen und seine Parameter einzuschränken. Um dies zu erreichen, habe ich als Modell für die Periodizität ein kreisendes, kompaktes Plasma-Paket gewählt, ein beschränktes, zusammenhängendes Gebiet innerhalb des Akkretionsflusses, das heller als seine Umgebung ist. Ein solcher "Blob" kann z.B. durch magnetische Rekonnektion erzeugt und durch Magnetfeldeffekte zusammengehalten werden. Es ist klar, dass der Blob eine Umlaufbahn nahe des Ereignishorizontes haben muss, um mit der Zeitskala von ~17 Minuten konsistent zu sein. In der Nähe des Ereignishorizontes sind aber Effekte der Allgemeinen und Speziellen Relativitätstheorie wie z.B. Dopplerverschiebungen, Lensing, Aberration und die Rotation des elektrischen Feldvektors der Strahlung von enormer Wichtigkeit. Um alle diese Effekte zu berücksichtigen, führte ich relativistische Ray-tracing Rechnungen durch, wobei ich auf dem KY Code der Astrophysik-Gruppe am tschechischen Institut der Wissenschaften in Prag aufbauen konnte. Nun war ich in der Lage, die beobachtete Variabilität des Flusses, des Polarisationswinkels und des Polarisationsgrades zu fitten. Dabei konnte ich zeigen, dass das Modell eines Plasma-Paketes in der Nähe des Ereignishorizontes eine exzellente Beschreibung der Daten darstellt. Obwohl das Modell in seiner verwendeten Form noch recht simpel ist - es wurde die Hydrodynamik des Blobs vernachlässigt und das Hauptgewicht auf die relativistischen Effekte gelegt - liefert es sehr gute Fits an die Beobachtungen. Die Berechnung von Konfidenzkonturen erlaubte es mir, einen großen Bereich des Parameterraumes für Sgr A* auszuschließen. So konnte ich den dimensionslosen Spinparamter auf a>0.5, die Inklination auf i>25 Grad und die Orientierung der Normalen zur Äquatorialebene des sich drehenden Schwarzen Loches auf 60 Grad<theta<105 Grad (von N nach O gemessen am Himmel) auf einem 3sigma-Niveau beschränken. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Meyer, Leonhard leo@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-22321
Date:	2008
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 Astronomie , Zentrum der Galaxis , Nahinfrarot , Schwarzes Loch German Astronomy , Galactic Center , near-infrared , Black Hole English
Date of oral exam:	8 January 2008
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2232