High Resolution Near-Infrared Imaging Observations of the Galactic Centre

Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, neue Erkenntnisse über die Struktur, Zusammensetzung und Dynamik des zentralen Sternhaufens unserer Milchstraße zu gewinnen. Im Mittelpunkt unserer Analysen stand dabei vor allem die Natur der Konzentration einiger Millionen Sonnenmassen dunkler Materie im Zentrum dieses Haufens, bei welcher es sich vermutlich um ein supermassives Schwarzes Loch handelt. Schon seit Jahrzehnten wurde vermutet, dass die kompakte, nicht-thermische Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), welche 1974 entdeckt wurde, mit einem solchen Objekt assoziiert ist. In großen Teilen basiert diese Arbeit auf Beobachtungen des galaktischen Zentrums mit der neuartigen Nahinfrarotkamera CONICA und dem dazugehörigen System für adaptive Optik, NAOS, am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte. Dieses kombinierte System wurde Ende 2001/Anfang 2002 in Betrieb genommen und bietet ideale Voraussetzungen für tiefe, hochaufgelöste Nahinfrarot- Beobachtungen des galaktischen Zentrums. Ein grundliegendes Problem, welches es zu lösen galt, war die Astrometrie der Aufnahmen des Sternfeldes im galaktischen Zentrum. Ein akkurates astrometrisches System ist eine essentielle Voraussetzung dafür, Sgr A* auf Infrarotbildern zu identifizieren und die relativen Positionen und Bewegungen der Sterne in seiner Umgebung zu messen. Mit Hilfe von SiO Maser Sternen, deren Position durch Radiointerferometrie zu < 1 Millibogensekunde bestimmt werden kann, gelang es uns, die Position der nicht-thermischen Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), welche mit dem vermuteten schwarzen Loch assoziiert ist, relativ zu den Sternen in seiner Umgebung mit einer Genauigkeit von < 10 mas zu bestimmen. Durch Sternzählungen in tiefen, hochauflösenden Bildern konnten wir zeigen, dass die Sterndichte zu Sgr A* hin mit einem Potenzgesetz ansteigt, dass der Sternhaufen also einen sogenannten Cusp in einem Radius von ca. 100 oder 40 mpc um das vermutete schwarze Loch aufzeigt. In einer Distanz < 4 mpc von Sgr A* steigt die Massendichte des Haufens auf über 108 M an. Die Sternpopulation im Cusp zeigt einen Mangel an Riesensternen und an Sternen auf dem horizontalen Ast relativ zum umgebenden Haufen. Hierfür könnten Sternkollisionen und/oder Massensegregation verantwortlich sein

Ks- and Lp-band polarimetry on stellar and bow-shock sources in the Galactic center

Infrared observations of the Galactic center (GC) provide a unique opportunity to study stellar and bow-shock polarization effects in a dusty environment. The goals of this work are to present new Ks- and Lp-band polarimetry on an unprecedented number of sources in the central parsec of the GC, thereby expanding our previous results in the H- and Ks-bands. We use AO-assisted Ks- and Lp-band observations, obtained at the ESO VLT. High precision photometry and the new polarimetric calibration method for NACO allow us to map the polarization in a region of 8" x 25" (Ks) resp. 26" x 28" (Lp). These are the first polarimetric observations of the GC in the Lp-band in 30 years, with vastly improved spatial resolution compared to previous results. This allows resolved polarimetry on bright bow-shock sources in this area for the first time at this wavelength. We find foreground polarization to be largely parallel to the Galactic plane (Ks-band: 6.1% at 20 degrees, Lp-band: 4.5% at 20 degrees, in good agreement with our previous findings and with older results. The previously described Lp-band excess in the foregound polarization towards the GC could be confirmed here for a much larger number of sources. The bow-shock sources contained in the FOV seem to show a different relation between the polarization in the observed wavelength bands than what was determined for the foreground. This points to the different relevant polarization mechanisms. The resolved polarization patterns of IRS 5 and 10W match the findings we presented earlier for IRS~1W. Additionally, intrinsic Lp-band polarization was measured for IRS 1W and 21, as well as for other, less prominent MIR-excess sources (IRS 2S, 2L, 5NE). The new data offer support for the presumed bow-shock nature of several of these sources (1W, 5, 5NE, 10W, 21) and for the model of bow-shock polarization presented in our last work.Comment: 19 pages, 18 figure

High Resolution Near-Infrared Imaging Observations of the Galactic Centre

Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, neue Erkenntnisse über die Struktur, Zusammensetzung und Dynamik des zentralen Sternhaufens unserer Milchstraße zu gewinnen. Im Mittelpunkt unserer Analysen stand dabei vor allem die Natur der Konzentration einiger Millionen Sonnenmassen dunkler Materie im Zentrum dieses Haufens, bei welcher es sich vermutlich um ein supermassives Schwarzes Loch handelt. Schon seit Jahrzehnten wurde vermutet, dass die kompakte, nicht-thermische Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), welche 1974 entdeckt wurde, mit einem solchen Objekt assoziiert ist. In großen Teilen basiert diese Arbeit auf Beobachtungen des galaktischen Zentrums mit der neuartigen Nahinfrarotkamera CONICA und dem dazugehörigen System für adaptive Optik, NAOS, am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte. Dieses kombinierte System wurde Ende 2001/Anfang 2002 in Betrieb genommen und bietet ideale Voraussetzungen für tiefe, hochaufgelöste Nahinfrarot- Beobachtungen des galaktischen Zentrums. Ein grundliegendes Problem, welches es zu lösen galt, war die Astrometrie der Aufnahmen des Sternfeldes im galaktischen Zentrum. Ein akkurates astrometrisches System ist eine essentielle Voraussetzung dafür, Sgr A* auf Infrarotbildern zu identifizieren und die relativen Positionen und Bewegungen der Sterne in seiner Umgebung zu messen. Mit Hilfe von SiO Maser Sternen, deren Position durch Radiointerferometrie zu < 1 Millibogensekunde bestimmt werden kann, gelang es uns, die Position der nicht-thermischen Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), welche mit dem vermuteten schwarzen Loch assoziiert ist, relativ zu den Sternen in seiner Umgebung mit einer Genauigkeit von < 10 mas zu bestimmen. Durch Sternzählungen in tiefen, hochauflösenden Bildern konnten wir zeigen, dass die Sterndichte zu Sgr A* hin mit einem Potenzgesetz ansteigt, dass der Sternhaufen also einen sogenannten Cusp in einem Radius von ca. 100 oder 40 mpc um das vermutete schwarze Loch aufzeigt. In einer Distanz < 4 mpc von Sgr A* steigt die Massendichte des Haufens auf über 108 M an. Die Sternpopulation im Cusp zeigt einen Mangel an Riesensternen und an Sternen auf dem horizontalen Ast relativ zum umgebenden Haufen. Hierfür könnten Sternkollisionen und/oder Massensegregation verantwortlich sein

Self-consistent modelling of the Milky Way's Nuclear Stellar Disc

© 2022 The Author(s) Published by Oxford University Press on behalf of Royal Astronomical Society. This is the accepted manuscript version of an article which has been published in final form at https://doi.org/10.1093/mnras/stac639The Nuclear Stellar Disc (NSD) is a flattened high-density stellar structure that dominates the gravitational field of the Milky Way at Galactocentric radius $30\lesssim R\lesssim 300$ pc. We construct axisymmetric self-consistent equilibrium dynamical models of the NSD in which the distribution function is an analytic function of the action variables. We fit the models to the normalised kinematic distributions (line-of-sight velocities + VIRAC2 proper motions) of stars in the NSD survey of Fritz et al., taking the foreground contamination due to the Galactic Bar explicitly into account using an $N$-body model. The posterior marginalised probability distributions give a total mass of $M_{\rm NSD} = 10.5^{+1.1}_{-1.0} \times10^8 \,{\rm M_\odot}$, roughly exponential radial and vertical scale-lengths of $R_{\rm disc} = 88.6^{+9.2}_{-6.9}$ pc and $H_{\rm disc}=28.4^{+5.5}_{-5.5}$ pc respectively, and a velocity dispersion $\sigma \simeq 70$ km/s that decreases with radius. We find that the assumption that the NSD is axisymmetric provides a good representation of the data. We quantify contamination from the Galactic Bar in the sample, which is substantial in most observed fields. Our models provide the full 6D (position+velocity) distribution function of the NSD, which can be used to generate predictions for future surveys. We make the models publicly available as part of the software package AGAMA.Peer reviewedFinal Accepted Versio

The JWST Galactic Center Survey -- A White Paper

The inner hundred parsecs of the Milky Way hosts the nearest supermassive black hole, largest reservoir of dense gas, greatest stellar density, hundreds of massive main and post main sequence stars, and the highest volume density of supernovae in the Galaxy. As the nearest environment in which it is possible to simultaneously observe many of the extreme processes shaping the Universe, it is one of the most well-studied regions in astrophysics. Due to its proximity, we can study the center of our Galaxy on scales down to a few hundred AU, a hundred times better than in similar Local Group galaxies and thousands of times better than in the nearest active galaxies. The Galactic Center (GC) is therefore of outstanding astrophysical interest. However, in spite of intense observational work over the past decades, there are still fundamental things unknown about the GC. JWST has the unique capability to provide us with the necessary, game-changing data. In this White Paper, we advocate for a JWST NIRCam survey that aims at solving central questions, that we have identified as a community: i) the 3D structure and kinematics of gas and stars; ii) ancient star formation and its relation with the overall history of the Milky Way, as well as recent star formation and its implications for the overall energetics of our galaxy's nucleus; and iii) the (non-)universality of star formation and the stellar initial mass function. We advocate for a large-area, multi-epoch, multi-wavelength NIRCam survey of the inner 100\,pc of the Galaxy in the form of a Treasury GO JWST Large Program that is open to the community. We describe how this survey will derive the physical and kinematic properties of ~10,000,000 stars, how this will solve the key unknowns and provide a valuable resource for the community with long-lasting legacy value.Comment: This White Paper will be updated when required (e.g. new authors joining, editing of content). Most recent update: 24 Oct 202

Envisioning the next decade of Galactic Center science: a laboratory for the study of the physics and astrophysics of supermassive black holes

9 pages, 4 figures, submitted for Astro2020 White PaperAs the closest example of a galactic nucleus, the Galactic center (GC) presents an exquisite laboratory for learning about supermassive black holes (SMBH) and their environment. We describe several exciting new research directions that, over the next 10 years, hold the potential to answer some of the biggest scientific questions raised in recent decades: Is General Relativity (GR) the correct description for supermassive black holes? What is the nature of star formation in extreme environments? How do stars and compact objects dynamically interact with the supermassive black hole? What physical processes drive gas accretion in low-luminosity black holes? We describe how the high sensitivity, angular resolution, and astrometric precision offered by the next generation of large ground-based telescopes with adaptive optics will help us answer these questions. First, it will be possible to obtain precision measurements of stellar orbits in the Galaxy's central potential, providing both tests of GR in the unexplored regime near a SMBH and measurements of the extended dark matter distribution that is predicted to exist at the GC. Second, we will probe stellar populations at the GC to significantly lower masses than are possible today, down to brown dwarfs. Their structure and dynamics will provide an unprecedented view of the stellar cusp around the SMBH and will distinguish between models of star formation in this extreme environment. This increase in depth will also allow us to measure the currently unknown population of compact remnants at the GC by observing their effects on luminous sources. Third, uncertainties on the mass of and distance to the SMBH can be improved by a factor of $\sim$10. Finally, we can also study the near-infrared accretion onto the black hole at unprecedented sensitivity and time resolution, which can reveal the underlying physics of black hole accretion