Dissecting the host galaxies of Active Galactic Nulcei at high angular resolution

194 Pages·2007·7.1 MB·English

by  Jens Zuther

Dissecting the host galaxies
of Active Galactic Nulcei
at high angular resolution
I-D
zur
Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Universität zu Köln
vorgelegt von
Jens Zuther
aus Hannover
Köln 2007
Berichterstatter: Prof.Dr.AndreasEckart
Prof.Dr.JohannAntonZensus
TagderletztenmündlichenPrüfung:31.10.2007
Dissecting the host galaxies
of Active Galactic Nulcei
at high angular resolution

Zusammenfassung
Die hier vorgestellte Arbeit steht im Zusammenhang mit Fragen, die sich
mitdemWechselspielzwischenderStrukturvonGalaxienunddemPhäno-
men der Akkretion auf supermassive schwarze Löcher beschäftigen (d.h.
aktive galaktische Kerne). Es existieren statistische Anhaltspunkte dafür,
dasssichdiesupermassivenschwarzesLöcherundihreassoziiertenzentra-
len galaktischen Verdickungen (bulges) Hand in Hand entwickeln. Jedoch
ist die genaue Kenntnis über die damit verbundenen physikalischen Vor-
gängeimmernochweitgehendunvollständig.UmtheoretischeModelle,die
sichmitdieserProblematikbeschäftigen,zutestenundzuverbessern,sind
räumlichhochauflösendeBeobachtungenderumgebendenGalaxieundden
inihnenenthaltenenschwarzenLöchernnotwendig.Abbildendeundspek-
troskopische Untersuchungen der innersten Region von aktiven Galaxien
erlauben es die chemische Zusammensetzung und die Dynamik von Ster-
nenundGasunterdemEinflussdesschwarzenLochsdetailliertzustudie-
ren. Damit können die energetischen Signaturen der Sternentstehung und
Akkretion voneinander getrennt und daraufhin in Beziehung gesetzt wer-
den. Solche Beobachtungen, werden sie auf Galaxien mit immer größeren
Rotverschiebungen angewandt, erlauben es, entwicklungsbedingte Eigen-
schaftenderzuvorgenanntenWechselwirkungenzuuntersuchen.MitEnt-
wicklung der adaptiven Optik (AO) sind solche Arten von Beobachtungen
Realitätgeworden.AOSystemeermöglichenes,dennegativenEinflussder
turbulentenirdischenAtmosphäreaufdasAuflösungsvermögenvongroßen
Teleskopenzuüberwinden.
Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Methoden, mit denen man
Stichproben von Galaxien bestimmen kann, die für AO unterstützte Beob-
achtungen geeignet sind. Diese Stichproben basieren auf Daten von groß-
flächigenHimmelsdurchmusterungeninverschiedenenWellenlängenberei-
chen. Nur mit solchen panchromatischen Daten können Stichproben von
interessanten Objekten, für detaillierte Folgebeobachtungen, homogen se-
lektiertwerden.DasHauptaugenmerkliegtdabeiaufdemimOptischenar-
beitendenSloanDigitalSkySurveyunddenRöntgenkatalogendesROSAT
All Sky Surveys. Im Rahmen des (German) Virtual Observatory können
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diesegroßenKatalogeeffizientdurchsuchtwerden.
Im zweiten Teil werden Ergebnisse räumlich aufeglöster nah-infrarot
Spektroskopie einer aktiven Galaxie mittels SINFONI am Very Large Te-
lescope der europäischen Südstenwarte präsentiert. Diese Galaxie stammt
aus einer Stichprobe, die, wie im ersten Teil beschrieben, hergeleitet wur-
de.EinesderwichtigenResultatedieserBeobachtungistdieErkenntnisder
PräsenzvonnuklearenAusflüssenundihresEinflussesaufdasumgebende
interstellare Medium. Solche Eigenschaften sind in den vorigen, gröberen
Vermessungenunentdecktgewesen.
KomplementärzudenErgebnissendeszweitenTeilswerdenimdritten
Teilnah-infrarotBeobachtungen einer hochrotverschobenen(alsdas Uni-
versum nur ein Viertel seines jetzigen Alters hatte) aktiven Galaxie. Diese
erscheint als ein Beispiel der Klasse von Galaxien, die als Vorgänger der
heutigen massiven elliptischen Galaxien geführt werden. Damit wird auch
eineevolutionäreBrückezwischenaktivenGalaxienundmassivenpassiven
Galaxiengeschlagen.
Abstract
The work presented here is concerned with issues related to the interplay
ofgalaxystructureandtheaccretionphenomenonontosupermassiveblack
holes (SMBH), i.e. active galactic nuclei (AGN). There is statistical ev-
idence for a coevolution of SMBHs and the galaxy bulges they reside in.
Thedetailedknowledgeoftheinvolvedphysicalprocesses,however,isstill
farfrombeingsatisfactory. Inordertotestandimprovetheoreticalmodels
of how this coevolution is arising, high angular resolution observations of
the host galaxies of AGN are necessary. Imaging and spectroscopy of the
innermost region of galaxies have the power to reveal information on the
structure, the chemical composition, and the dynamics of stars and gas in
thepresenceofanSMBH,andallowustoseparateenergeticsignaturesre-
latedeithertostarformationortotheaccretionontotheSMBH.Consider-
ingsuchobservationsovercosmologicaldistances(redshifts)–i.e. looking
into the past because of the finite light-travel time – we are also able to
assess evolutionary effects on the beforementioned properties. Such types
ofobservationshavenowbecomepossiblewiththeadventofadaptiveop-
tics (AO) systems, which overcome the limitations of angular resolution
imposedbytheEarth’sturbulentatmosphere.
Thefirstpartofthisthesispresentsmethodstoderivesamplesofgalax-
ies, suitable for high angular resolution studies. These samples are based
onlargeareaskysurveysatdifferentwavelengths,sinceonlypanchromatic
informationallowsustoselectsampleshomogeneouslyfordetailedfollow-
upobservations. Themainfocusliesonvisible(SloanDigitalSkySurvey)
and X-ray (ROSAT All Sky Survey) wavelengths. Within the framework
of the (German Astrophysical) Virtual Observatory [(GA)VO], such large
databases can be mined efficiently. From a sample of X-ray bright AGN,
near-infrared,AO-assisted,spatially-resolvedspectroscopyofanAGNwith
SINFONI at the Very Large Telescope (European Southern Observatory,
ESO) will be presented. In particular, the results show the importance of
starformation/SMBHfeedbackintermsofnuclearoutflowsthathavebeen
uncertainfrompreviouscoarsemultiwavelengthsurveyobservations.
These observations of X-raying AGN will be complemented by the
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near-infraredimagingstudyofahighredshift(whentheUniversewasonly
about one quarter of its present age) AGN with ISAAC at the ESO VLT.
The host galaxy of this bright AGN appears to be an example of the class
of objects, known to be the progenitors of the population of present-day
mostmassiveellipticalgalaxies. Thisplacesnuclearactivityandandmas-
sivegalaxiesinanevolutionarycontext.
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FürmeineEltern