Universität zu Köln

Shahzamanian Sichani, Banafsheh (2016). Near-infrared polarimetry in the galactic center. On properties of Sagittarius A* and a dusty S-cluster object. PhD thesis, I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln.

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Abstract

Near-infrared polarimetry observation is a powerful tool to study the central sources at the center of the Milky Way. My aim of this thesis is to analyze the polarized emission present in the central few light years of the Galactic Center region, in particular the non-thermal polarized emission of Sagittarius~A* (Sgr~A*), the electromagnetic manifestation of the super-massive black hole, and the polarized emission of an infrared-excess source in the literature referred to as DSO/G2. This source is in orbit about Sgr~A*. In this thesis I focus onto the Galactic Center observations at $\lambda=2.2~\mu m$ ($K_\mathrm{s}$-band) in polarimetry mode during several epochs from 2004 to 2012. The near-infrared polarized observations have been carried out using the adaptive optics instrument NAOS/CONICA and Wollaston prism at the Very Large Telescope of ESO (European Southern Observatory). Linear polarization at 2.2 $\mu m$, its flux statistics and time variation, can be used to constrain the physical conditions of the accretion process onto the central super-massive black hole. I present a statistical analysis of polarized $K_\mathrm{s}$-band emission from Sgr~A* and investigate the most comprehensive sample of near-infrared polarimetric light curves of this source up to now. I find several polarized flux excursions during the years and obtain an exponent of about 4 for the power-law fitted to polarized flux density distribution of fluxes above 5~mJy. Therefore, this distribution is closely linked to the single state power-law distribution of the total $K_\mathrm{s}$-band flux densities reported earlier by us. I find polarization degrees of the order of 20\%$\pm$10\% and a preferred polarization angle of $13^o\pm15^o$. Based on simulations of polarimetric measurements given the observed flux density and its uncertainty in orthogonal polarimetry channels, I find that the uncertainties of polarization parameters under a total flux density of $\sim 2\,{\mathrm{mJy}}$ are probably dominated by observational uncertainties. At higher flux densities there are intrinsic variations of polarization degree and angle within rather well constrained ranges. Since the emission is most likely due to optically thin synchrotron radiation, the obtained preferred polarization angle is very likely reflecting the intrinsic orientation of the Sgr~A* system i.e. an accretion disk or jet/wind scenario coupled to the super-massive black hole. Our polarization statistics show that Sgr~A* must be a stable system, both in terms of geometry, and the accretion process. I also investigate an infrared-excess source called G2 or Dusty S-cluster Object (DSO) moving on a highly eccentric orbit around the Galaxy's central black hole, Sgr~A*. I use for the first time the near-infrared polarimetric imaging data to determine the nature and the properties of DSO and obtain an improved $K_\mathrm{s}$-band identification of this source in median polarimetry images of different observing years. The source starts to deviate from the stellar confusion in 2008 data and it does not show a flux density variability based on our data set. Furthermore, I measure the polarization degree and angle of this source and conclude based on the simulations on polarization parameters that it is an intrinsically polarized source with a varying polarization angle as it approaches Sgr~A* position. I use the interpretation of the DSO polarimetry measurements to assess its possible properties.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Polarimetriemessungen im nahen Infrarotwellenl\"angenbereich stellen eine sehr effektive Methode dar, die Strahlungsquellen im Zentrum der Milchstrasse zu untersuchen. Zeil meiner Dissertation ist es diese polarisierte Strahlung im zentralen Lichtjahr zu analysieren. Dies betrifft insbesondere die nicht-thermische, polarisierte Strahlung von Sagittarius~A* (Sgr~A*). Hierbei handelt es sich um eine Quelle, die mit dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstrasse assoziiert wird, sowie die polarisierte Emission der Infrarotexzessquelle, die als DSO/G2 bezeichnet wird. Diese Quelle befindet sich in einer Umlaufbahn um Sgr~A*. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Beobachtungen des galaktischen Zentrums bei einer Wellenl\"ange von $\lambda=2.2~\mu m$ ($K_\mathrm{s}$-Band), die im Polarimetriemodus \"uber verschiedene Epochen in den Jahren 2004 bis 2012 durchgef\"uhrt wurden. Diese Polarimetriebeobachtungen wurden mit Hilfe des adaptiven Optik Systems NAOS/CONICA und einem Wollaston-Prisma am VLT (Very Large Telescope) der ESO (Europ\"aische S\"udsternwarte) durchgef\"uhrt. Die lineare Polarisation be 2.2 $\mu m$, ihre Flussdichtestatistik und zeitliche Variabilit\"at k\"onnen benutzt werden, um den Akkretionsprozess auf das zentrale super-massive Schwarze Loch zu charakterisieren. Ich pr\"asentiere eine statistische Analyse der Polarisationsmessungen von Sgr~A* und untersuche dabei die bisher vollst\"andigste Stichprobe von Lichtkurven der polarisierten Strahlung. Ich kann mehrere polarisierte Flu\ss dichteausbr\"uche nachweisen und finde f\"ur Flu\ss dichten oberhalb von 5mJy in der logarithmischen Darstellung des H\"aufigkeitsdiagramms der Flu\ss dichtevariationen ein Potenzgesetz mit einer Steigung von 4 Diese Verteilung h\"angt daher eng mit dem Einzelzustands-Potenzgesetz der $K_\mathrm{s}$-Band Flu\ss dichteverteilung zusammen, welches bereits vorher von uns gefunden wurde. Ich finde einen Polarizationsgrad von 20\%$\pm$10\% und einen bevorzugten Polarisationswinkel von $13^o\pm15^o$. Basierend auf Simulationen dieser Messungen, den beobachteten Flu\ss dichten und ihren Me\ss fehlern in orthogolalen Me\ss kan\"alen, find ich, da\ss ~die Unsicherheiten in der Bestimmung der Polarisationsparameter unterhalbe einer Flu\ss dichte von $\sim 2\,{\mathrm{mJy}}$ durch Beobachtungsunsicherheiten dominiert wird. F\"ur h\"ohere Flu\ss dichten bewegen sich die intrinsischen Variationen von Polarisationsgrad und -winkel in wohldefinierten Grenzen. Da die Emission mit gro\ss er Wahrscheinlichkeit von optisch d\"unner Synchrotronstrahlung stammt, ist es auch sehr wahrscheinlich, dass der beobachtete bevorzugte Polarisationswinkel die intrinsische Orientierung des Sgr~A*-Systems widerspiegelt: also eine Akkretionsscheibe oder ein Jet/Wind-Szenario welches mit dem super-massiven Schwarzen Loch gekoppelt ist. Unsere Polarisationsstatistik zeigt, dass Sgr~A* sowohl in Bezug auf seine Geometrie als auch in Bezug auf den Akkretionsprozess ein stabiles System darstellen mu\ss. Ich untersuche ebenfalls die Infrarotexzess-Quelle genannt G2 oder DSO (Dusty S-cluster Object - staubiges Objekt im S-Sternhaufen), welches sich auf einer hochexzentrischen Umlaufbahn um das zentrale Schwarze Loch Sgr~A* befindet. Zum ersten Mal benutze ich hier die infraroten Polarimetriedaten, um die Natur des DSO zu bestimmen. In Medianen von abbildenden Polarisationsmessungen der vergangenen Jahre konnte ich eine verbesserte Identifikation des DSO erzielen. Die Quelle l\"oste sich im Jahre 2008 klar aus dem stellaren Konfusionshintergrund und zeigt unseren Daten nach keine signifikante Flu\ss dichtevariabilit\"at. Weiterhin kann ich auf Grund von Simulationsrechnungen zeigen, dass die gemessenen Polarisationsgrade und -winkel quellintrinsisch sind. W\"ahrend der Ann\"aherung des DSO an Sgr~A* zeigt die Quelle eine variabele Polarisation. Ich nutze die Interpretation der Polarimetriemessungen des DSO zur Besimmung seiner m\"oglichen Eigenschaften. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Shahzamanian Sichani, Banafsheh shahzaman@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-70377
Date:	24 October 2016
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: center / infrared: general / black hole physics / accretion, accretion disks / galaxies: statistics English stars: pre-main sequence / stars: winds, outflows English
Date of oral exam:	30 October 2015
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, Anton Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7037