Universität zu Köln

Sabha, Nadeen Bassam Izzat (2015). Near and mid-infrared observations of the galactic center: on the nature of diffuse emission and faint compact sources. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The center of our Galaxy is made up of stars, stellar remnants, dust, molecular and ionized gas, with a supermassive black hole at its heart. This black hole is surrounded by a small cluster of high velocity stars, known as the S-stars. One aim of this thesis is to constrain the amount and nature of the stellar and dark mass associated with this cluster in the immediate vicinity of the black hole. I use near-infrared imaging to determine the Ks-band luminosity function of the S-star cluster members, and the distribution of the diffuse background emission and the stellar number density counts around the central black hole. This allows one to determine the stellar light and mass contribution expected from the faint members of the cluster. I then use post-Newtonian N-body techniques to investigate the effect of stellar perturbations on the motion of S2, as a means of detecting the number and masses of the perturbers. I find that the stellar mass derived from the Ks-band luminosity extrapolation is much smaller than the amount of mass that might be present considering the uncertainties in the orbital motion of the star S2. Also the amount of light from the fainter S-cluster members is below the amount of residual light at the position of the S-star cluster after removing the bright cluster members. If the distribution of stars and stellar remnants is peaked near the supermassive black hole, observed changes in the orbital elements of S2 can be used to constrain both their masses and numbers. Based on simulations of the cluster of high velocity stars, I find that at a wavelength of 2.2 micron, close to the confusion level for 8 m class telescopes, blend stars will occur. These line-of-sight clusterings will last for typically three years before they dissolve due to proper motions. I also present the analysis of mid-infrared VISIR observations. Their field of views are centered on the major Galactic Center targets that we plan to observe with the MIRI instrument aboard the James Webb Space Telescope (JWST). The value of these new observations lies in the fact that they are the first and only data that cover a large field of view of the region with spatial resolutions better than Spitzer survey data. The spectral indices of the compact sources detected in our multi-band observations will aid in the identification of massive young stellar objects, and will allow the tracing of their spatial distribution and concentration. When combined with the current multi-wavelength surveys and future MIRI observations it will enable us to trace and draw a better picture of the past 8 Myr of cluster based star formation in the Galactic Center. Furthermore, I report a curious convex-like mid-infrared feature at a distance of 0.68 pc (17") from the position of the supermassive black hole. This feature resembles a stellar bow shock with a symmetry axis pointing toward the Center. I discuss the possible nature of this feature and the implications of its alignment with other dusty comet-like objects previously found inside the central parsec. All of these objects are remarkably aligned perpendicular to the plane of young mass-losing stars very close to the central SMBH. The lack of a larger number of similar objects in the field can be explained either by the short life span of massive stars and/or the intermittent nature of the responsible mechanism.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Zentrumunserer Galaxie setzt sich aus Sternen, Sternüberresten, Staub, molekularem und ionisiertem Gas zusammen. In deren Mitte befindet sich ein supermassives schwarzes Loch. Dieses supermassive schwarze Loch ist unmittelbar von einer kleinen Anhäufung von Sternen mit hohen Geschwindigkeiten umgeben, den sogenannten S-Sternen. Der erste Teil dieser Arbeit ist es die stellare und die dunkle (nicht sichtbare)Masse dieses Haufens und ihre Eigenschaften näher zu bestimmen. Anhand von Nahinfrarotaufnahmen ermittele ich die Ks-Band Leuchtkraftfunktion der S-Sternhaufen Sterne, die Verteilung der diffusen Hintergrundemission und die Sternanzahldichte in der Umgebung des supermassiven schwarzen Lochs. Auf diese Weise kann man den Beitrag der lichtschwächeren Sterne zur Gesamtleuchtkraft und -masse abschätzen. Darüber hinaus untersuche ich mit Hilfe von post-Newtonschen N-Teilchen Simulationen die Störung der Bahnbewegung von Stern S2 durch andere S-Sterne, um die Anzahl und Masse der störenden Sterne zu bestimmen. Hierbei stelle ich fest, dass die stellare Masse basierend auf der Extrapolation der Ks-Band Leuchtkraft wesentlich kleiner ist als die Abweichungen der Bahnbewegung von S2 andeuten. Außerdem ist die Lichtmenge der lichtschwächeren S-Sterne geringer als die Restlichtmenge an der Stelle des S-Sternhaufens nach Abzug aller hellen S-Sterne. Unter der Annahme, dass die Verteilung der Sterne und Sternäberreste ihr Maximum in der Nähe des supermassiven schwarzen Lochs erreicht, kann man die Massen und die Anzahl der (störenden) Sterne anhand der beobachten Änderungen der Bahnparameter von S2 abschätzen. Meine Simulationen des Hochgeschwindigkeitssternhaufens zeigen, dass bei Beobachtungen bei einer Wellenlänge von 2.2 micron und nahe an der Konfusionsgrenze für Teleskope der 8 m-Klasse einzelne Sterne sich überdecken können. Diese Anhäufungen entlang der Sichtlinie hält für gewöhnlich 3 Jahre an bevor sie sich auf Grund ihrer Eigenbewegung der Sterne wieder auflösen. Der zweite Teil meiner Arbeit behandelt die Analyse von Aufnahmen im mittleren Infrarot mit VISIR von Hauptbeobachtungsobjekten im Galaktischen Zentrum, die wir auch mit dem MIRI Instrument an Bord des JWST zu beobachten beabsichtigen. Diese Beobachtungen decken als erste und einzige ein großes Gesichtsfeld dieser Region mit einer höheren räumlichen Auflösung als die Spitzer Studie ab. Der Spektralindex der in unseren Multi-Band-Aufnahmen detektieren Punktquellen hilft bei der Identifizierung von massiven jungen stellaren Objekten und derer räumlichen Verteilung und Anhäufung.Die Kombination von aktuellen Multi-Wellenlängen-Studien und zukünftigen MIRI Beobachtungen wird uns ein tieferes Verständnis der Sternentstehung der letzten 8 Millionen Jahren in Sternhaufen im Galaktischen Zentrum in ermöglichen. Im Zuge meiner Analyse der Daten im mittleren Infrarot fiel mir eine ungewöhnliche, konvex-förmige Struktur in einer Entfernung von 0.68 pc (17”) von der Position des supermassiven schwarzen Lochs auf. Diese Struktur ähnelt einer Bugstoßwelle eines Sterns und ihre Symmetrieachse weist in Richtung des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum. Ich erläutere die mögliche Natur dieser Erscheinung und die Bedeutung ihrer Orientierung in Bezug auf andere staubige, kometenartig geformte Objekte, die im zentralen Parsec bereits gefunden wurden. Bemerkenswerterweise zeigen all diese Objekte nahezu senkrecht auf die scheibenhafte Ansammlung junger,Masse-verlierender Sterne direkt um das supermassive schwarze Loch. Die geringe Zahl ähnlicher Objekte in dem Gebiet lässt sich durch die kurze Lebensspanne massiver Sterne und/oder das sporadische Auftreten des verantwortlichen Mechanismus erklären. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Sabha, Nadeen Bassam Izzat sabha@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-60669
Date:	31 March 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:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language observations, near-infrared, mid-infrared, simluations Galaxy: center, infrared: general, infrared: diffuse background, stars: luminosity function, mass function, stars: kinematics and dynamics, methods: numerical, stars: winds, outflows English
Date of oral exam:	5 December 2014
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Schneider, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6066