Universität zu Köln

Moser, Lydia (2017). Galactic Centers near and far - Sub-millimeter Observations of three Seyfert galaxies and the Galactic Center. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The evolution of galaxies in terms of mass accretion and matter transport is still an open topic in research. My thesis consists of two parts that are bridged by a common theme: the properties of the interstellar medium interstellar matter (ISM) and star formation in centers of galaxies, studied in the (sub-)mm wavelength regime. The first part of my thesis deals with the results from Submillimeter Array (SMA) ob- servations of molecular gas (low CO transitions) at sub-kpc (∼3′′) resolution of three Seyfert 1 galaxies from the ’low-luminosity quasi stellar object (LLQSO) sample’, which covers a redshift range of z ∼ 0.01 - 0.06. The goal of the LLQSO sample is investigate the signs of internal or external triggers enhanced activity (i.e., star formation and accretion onto the supermassive black hole (SMBH)) in the centers of galaxies and their frequency with respect to the nuclear activity. Two sources, HE 0433-1028 and HE 1108-2813, were observed in 12CO(2–1) and 13CO(2–1) and the third, HE 1029-1831, in 12CO(3–2) and HCO+(4–3) line emission. In- triguingly, in all three galaxies the molecular gas accumulates at the center within a radius < 2 kpc and the gas kinematics indicate the presence of a decoupled central unresolved compo- nent. The R21 =12CO/13CO(2–1) line luminosity ratios obtained for HE 0433-1028 and HE 1108-2813 are significantly enhanced with R21 >~ 20 in the central region, indicating them to be warm and/or turbulent. Strikingly, also the 12CO(3–2)/(1–0) line luminosity ratio in HE 1029-1831 suggests a higher excitation phase with r31 ∼ 1, apart from the cold or diffuse gas phase implied by r21 ∼ 0.5 for all three of them. From this, together with the Luminous Infrared Galaxy (LIRG) typical infrared luminosities of L_IR ≥ 10^11 L⊙, I conclude that the emission in the centers of these Seyferts is strongly affected by diffuse gas due to violent star formation. Indeed, the centers of these galaxies seem to contain a circumnuclear starburst with minimum molecular gas mass and starformation rate (SFR) surface densities around Σ_mol = 70 - 540 M⊙ pc−2 and Σ_SFR = 1.3 - 3.8 M⊙ kpc−2 yr−1. Therefore, the galaxies’ ISM state is likely to be better described by a mass conversion factor typical for Ultraluminous Infrared Galaxies (ULIRGs), as suggested by the dynamical and dust masses. My work on these data shows how much information on the state of the molecular gas can already be obtained from these medium spatial resolutions, i.e. on 0.5 - 1 kpc-scales. The second part covers interferometric continuum and line emission data from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) of the inner 4 parsec (approximately 100′′) surrounding the SMBH, Sagittarius A* (Sgr A*), at the Galactic Center (GC). It is a region of extreme conditions not only in terms of intense IR to UV radiation from the nuclear stellar/star cluster (NSC) and X-ray emission from a population of stellar remnants and Sgr A*, but especilly in terms of turbulence and shocks due to stellar winds and tidal shear. Furthermore, it comprises several overlapping molecular and ionized structures that can be studied in term of feeding inflow and star formation potential. Its proximity makes the GC a unique laboratory for our understanding of galactic nuclei and galaxy evolution on the smallest accessible scales. I present serendipitous detections of line emission towards Sgr A* and its environment with ALMA in band 3, 6, and 7. This up to now highest resolution (<0.75′′) view of the GC in the sub-millimeter (sub-mm) domain shows molecular gas at projected distances 1′′ from the SMBH. Among the highlights are: the very first 340 GHz map of the minispiral, the very first and highly resolved detection of sub-mm molecular emission in the immedi- ate vicinity of the SMBH, and the highly resolved structures of circumnuclear disk (CND) features, especially of a region comprising a methanol class I maser closest to the SMBH. The emission in H39α and of the 100 GHz continuum imply a uniform electron temper- ature around Te ∼ 6000 K for the minispiral. Sgr A* has a spectral index (S ∝ ν^α) of α ∼ 0.5 at 100 - 250 GHz and α ∼ 0.0 at 230 - 340 GHz. The spectral indices of the luminous objects in the inner minispiral tend to -0.1 indication Bremsstrahlung emission, while the minispiral exterior shows the growing importance of the dust component with increasing frequency. The clumpy molecular gas distribution is represented best by the CS emission. Further species detected are H13CO+, HC3N, SiO, SO, C2H, CH3OH, 13CS and N2H+. Most of the emission can be found at positive velocities and in a region limited by the sources IRS 3 and 7, and the minispiral Bar and Northern Arm. For some few regions in the field, the molecular emission appears at velocities of up to 200 km s−1. Probably, this central association (CA) of clouds is an infalling group of clouds composed of denser cloud cores and diffuse gas. I cal- culated three times higher CS/X (X: any other observed molecule) ratios for the CA than for the CND which hints at a combination of higher excitation - by a temperature gradient and/or IR-pumping - and abundance enhancement due to UV- and/or X-ray emission. Assuming the NSC as the cause, CA must be closer to the center than the CND is to the center. Within the CND itself, I discerned two interesting regions: One region emits in lines of all molecular species and higher energy levels observed in this and earlier studies. Further- more, it harbours a methanol class I maser. The other region shows line ratios similar to the CA. Beyond the CND, I discover that the largest accumulations of traditionally quies- cent gas tracer N2H+ match the largest infared (IR) dark clouds in the field. The previously detected methanol class I masers in these infrared dark clouds (IRDCs) coincide with the methanol emission observed by ALMA. I conclude, that all of these special regions should be investigated in more detail in the context of hot/cold core and extreme photon dominated region (PDR)/X-ray dominated region (XDR) chemistry and consequent star formation in the GC. My work on these ALMA Cycle 0 data give a prospect on the many riddles to solve - and to discover - thanks to the superb resolution of the current ALMA facility.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Evolution von Galaxien, in Form von Massenakkretion und dem Transport von Materie, ist weiterhin Gegenstand aktueller Forschung. Diese Thematik bildet auch den Rahmen, in den sich meine Dissertation einordnet. Sie besteht aus zwei Teilen, die durch eine gemeinsame Fragestellung im Zusammenhang stehen: Den Eigenschaften des interstellaren Mediums und der Sternentstehung in Galaxien, gestützt auf Untersuchungen im (sub-)mm Wellenlängenbereich. Im ersten Teil meiner Dissertation präsentiere ich die Ergebnisse aus interferometrischen Beobachtungen von molekularem Gas (basierend auf niedrigen CO Übergängen) mit sub-kpc (∼3′′) Auflösung in drei Seyfert 1 Galaxien mit dem Submillimeter Array. Diese Galaxien sind Teil des ’low luminosity quasi stellar object (LLQSO) sample’, einer Auswahl an LL- QSOs mit einer Rotverschiebung im Bereich von z ∼ 0.01 - 0.06 mit dem Ziel, Anzeichen interner und externer Auslöser für erhöhte Aktivität, d.h. Sternentstehung und Akkretion auf das zentrale, supermassive schwarze Loch (SMBH), in Galaxienkernen zu untersuchen. Zwei der Quellen, HE 0433-1028 und HE 1108-2813, wurden in 12CO(2–1) und 13CO(2–1) und die dritte, HE 1029-1831, in 12CO(3–2) und HCO+(4–3) Linienemission beobachtet. Bemer- kenswerterweise sammelt sich in allen drei Galaxien das molekulare Gas innerhalb eines Radius von 2 kpc um die Galaxienkerne an, und die Gas-Kinematik zeigt Hinweise dafür, dass sich eine entkoppelte, räumlich unaufgelöste Komponente im Zentrum gebildet hat. Die R21 =12 CO/13 CO(2–1) Linienleuchtkraftverhältnisse für HE 0433-1028 und HE 1108- 2813 sind signifikant erhöht mit R21 >~20 im Zentrum, was auf warmes und/oder turbulente Gas hinweist. Selbst das 12CO(3–2)/(1–0) Linien Leuchtkraftverhältnis für HE 1029-1831 weist auf eine höher angeregte Gasphase hin mit r31 ∼ 1, abgesehen von der kalten oder dif- fusen Gasphase, die von r21 ∼ 0.5 für alle drei Objekte angedeutet wird. Zusammen mit den für LIRG typischen Infrarotleuchtkräften von L_IR ≥ 10^11 L⊙ komme ich zu dem Schluss, dass die Emission in den Zentren dieser Seyfert Galaxien wegen heftiger Sternentstehung stark von dem diffusen Gas beeinflusst wird. Tatsächlich beherbergen die Zentren dieser Galaxien einen zirkumnuklearen Starburst, mit einer unteren Grenze für die molekularer Gasmassen- und Sternentstehungsratenoberflächendichten um Σ_mol = 70 - 540 M⊙ pc−2 and Σ_SFR = 1.3 - 3.8 M⊙ kpc−2 yr−1. Daher wird das interstellare Medium hier höchstwahrscheinlich besser von einem für ULIRGs typischen Massenkonversionsfaktor beschrieben, wie es auch von den dynamischen Massen und den Gasmassen suggeriert wird. Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen deutlich, wie viele Erkenntnisse über den Zustand des molekularen Gases schon bei solch moderater räumlichen Auflösung erzielt werden können. Im zweiten Teil behandele ich interferometrische Daten zu Kontinuum- und Linienemission mit Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) von den inneren 4 parsec (ca. 100′′) des Galaktischen Zentrums (GC), die das SMBH Sgr A* umgeben. Diese Region ist von extremen Bedingungen geprägt, nicht nur in Form von intensiver IR und UV Strahlung des nuklearen Sternenhaufens, sondern insbesondere auch auf Grund von Turbulenzen und Schocks, die durch stellare Winde und Gezeitenkräfte verursacht werden. Darüber hinaus be- herbergt diese Region auch mehrere überlappende molekulare und ionisierte Strukturen, die auf Zufluss von Materie und Sternentstehung untersucht werden können. Seine Nähe macht das Galaktische Zentrum zu einem einzigartigen Labor für die Untersuchung von Galaxien- kernen und Galaxienevolution auf kleinsten Skalen. Ich präsentiere zufällige Detektionen von Linienemission in einem projezierten Abstand von >1′′ zu Sgr A* in den ALMA Bändern 3, 6 und 7 mit einer für das GC bisher höchsten Auflösung (<0.75′′) im sub-Millimeter Wellenlängenbereich. Herausragende Ergebnisse sind unter anderem: Die erste 340 GHz Karte der Minispirale, die erste (und hoch aufgelöste) Detektion von molekularer sub-mm Linienemission in der direkten Umgebung des SMBH und hoch aufgelöste Strukturen der zirkumnuklearen Scheibe CND, insbesondere in einer Region mit dem dem GC nächstgelegenen Methanol Klasse I Maser. Basierend auf der 100 GHz Kontinuum- und H39α Emission erhalte ich eine Elektronentemperatur von ca. Te ∼ 6000 K für die Minispirale. Der Spektralindex (S ∝ ν^α) von Sgr A* ist ∼ 0.5 bei 100 - 250 GHz und ∼ 0.0 bei 230 - 340 GHz. Die hellen Quellen im Zentrum zeigen Bremsstrahlung (α ∼ −0.1), während Staubemission im Äußeren der Minispirale auftritt (α > 0). Insgesamt finde ich die Moleküle CS, H13CO+, HC3N, SiO, SO, C2H, CH3OH, 13CS und N2H+. Der Großteil der klumpig verteilten Emissions weist positive Geschwindigkeiten auf und liegt in einer Region zwischen dem nördlichen Arm der Minispirale, dem Balken sowie den Quellen IRS 3 und 7. Die Erklärung könnte eine einfallende Wolke sein, die aus dichteren, in diffusem Gas eingebetteten Klumpen besteht. Die zentrale Ansammlung (CA) von Wolken zeigt dreimal höhere CS/X (X: beliebiges anderes beobachtetes Molekül) Linienleuchtkraftverhältnisse an als die CND, was auf eine Kombination aus höherer Anregung (Temperaturgradient oder IR- Pumpen) und eine erhöhte Häufigkeit von CS auf Grund von UV- und/oder Röntgenstrahlung hinweist. Daher schließe ich, dass sich die CA näher am Zentrum befindet als die CND. Zwei Regionen in der CND zeigen sich besonders auffällig. Die eine zeigt Emission in allen Mole- külarten, auch in höheren Energieniveaus, sowie einen Methanol Klasse I Maser. Die andere zeigt ähnliche Linienverhältnisse wie die der CA. Außerhalb der CND finde ich Emission des ruhigen Gas-Tracer N2H+ im Gebiet der größten IR-dunklen Wolken in der Region. Me- hanol Emission wird in und um die Methanol Klasse I Maser der selben Region detektiert. Ich halte diese speziellen Regionen für besonders interessant für weitere Studien im Kontext der Astrochemie in heißen/kalten Kernen und extremen PDR/XDR, und der Sternentstehung im GC. Meine Arbeit an den ALMA Cycle 0 Daten gibt hier einen eindrucksvollen Ausblick auf viele Rätsel, die es noch, dank der hervorragenden Auflösung der neuen ALMA Beobachtungseinrichtung, zu lösen - und zu entdecken - gilt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Moser, Lydia moser@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-76248
Date:	30 June 2017
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 submillimeter: galaxies – radio lines: galaxies – galaxies: ISM – galaxies: active – galaxies: Seyfert – galaxies: kinematics and dynamics – Galaxy: center – Galaxy: nucleus – submillimeter: ISM – ISM: molecules – ISM: clouds – ISM: kinematics and dynamics English
Date of oral exam:	3 June 2016
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, Anton Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7624