Probing the accretion physics of Sagittarius A*

Das Galaktische Zentrum und das darin befindende massereiche Schwarze Loch Sagitarrius A* (Sgr A*) stellt einen der exotischsten Orte des Universums dar, welcher der Menschheit bekannt ist. In dieser Dissertation untersuche ich zwei verschiedene Aspekte des Galaktischen Zentrum: den Akkretionsfluss in der direkten Umgebung von Sgr A*, sowie die Verteilung der jungen Sterne, die sich in der unmittelbaren Nachbarschaft des Schwarzen Loches befinden. Die in dieser Disseration vorgestellte Arbeit hat zu drei neuartigen Beobachtungen der spektralen Energieverteilung (englisch: Spectral Energy Distribution, SED) von Sgr A* geführt, welche ich in den ersten drei Kapitel vorstelle. Im letzten Kapitel der Thesis stelle ich meine Resultate zur Population von jungen Sterne im Galaktischen Zentrum vor. Das erste Kapitel handelt von dem gleichzeitigen Nachweis von Sgr A* in zwei Ferninfrarotbeobachtungsbändern bei Wellenlängen von 160 μm und 100 μm. Dies sind die ersten Beobachtungen von Sgr A* in diesem Wellenlängenbereich und wurden mit der PACS Kamera on-board des Weltraumteleskops Herschel aufgezeichnet. Die Messung wurden mit Hilfe einer maßgeschneiderten Datenreduktion ermöglicht, die eine differentielle Flussmessungen im Ferninfroten mit einem bisher unerreichten Rauschpegel erlaubt. Dies führt zum ersten Nachweis des variablen Flusses mit einer Signifikanz von 4.5σ bei 160 μm und 1.6σ bei 100 μm. Die Entdeckung des variablen Flusses bestätigt, dass die SED im Sub-mm-Bereich ihr Maximum erreicht und ermöglicht die Bestimmung der Elektronendichte, der Magnetfeldstärke und der Elektronentemperatur im Akkretionsfluss. In Kombination mit modernen ALMA-Beobachtungen von Sgr A* deuten diese Ergebnisse auf niedrigere Sub-mm-Flüsse hin als bis dato angenommen wurde. Die Messergebnisse erfordern aus diesem Grund höhere Elektronentemperaturen im Akkretionsfluss. Dies deutet darauf hin, dass der Akkretionsfluss im Sub-mm- und teilweise auch im mm-Bereich optisch dünn ist. Im zweiten Kapitel nutze ich die ersten drei Jahre der interferometrischen GRAVITY-Beobachtungen, welche am Very Large Telescope Interferometer durchgefuehrt wurden, um die Flussverteilung von Sgr A* im Nahinfraroten zu untersuchen. Aus den GRAVITY-Daten erstelle ich die erste kohärente Flussmessung von Sgr A*, die 2019 mit dem neuartigen Dual-Beam-Beobachtungsmodus beobachtet wurde. Zusätzlich, verwende ich Lichtkurven aus den Jahren 2017 und 2018, die bereits in der Literatur veröffentlicht wurden. Aufgrund der sehr hohen räumlichen Auflösung von GRAVITY wird diese Sgr A*-Flussmessung nicht durch das Licht von nahegelegenen Sternen gestört, was ähnliche auf adaptive Optik gestützte Studien in der Vergangenheit stark einschränkte. Außerdem konnte ich das Licht des Akkretionsflusses von Sgr A* zu jedem Messzeitpunkt nachweisen, eine Neuerung gegenüber den vorherrgehenden Studien, in welchen nur hellere Zustände von Sgr A* beobachtet werden konnten. Infolgedessen bin ich in der Lage, die erste rein empirische und nicht konfusionslimitierte Flussverteilung von Sgr A* zu erstellen und die 2.2 μm-Flussquantile zu messen. Durch den Vergleich mehrerer statistischer Modelle der Flussverteilung kann ich nachweisen, dass die Flussverteilung logarithmisch rechtsschief ist und nur schlecht durch eine Lognormalverteilung beschrieben wird. Im Gegensatz dazu ist die Flussverteilung gut durch ein Zweikomponentenmodell beschrieben: eine Log-Normalverteilung zur Beschreibung der Ruheemission in Kombination mit einer zweiten Komponente, die einem Potenzgesetz folgt. In diesem Szenario werden die hellen Nahinfrarot- und Röntgenflares in lokalisierten und aufgeheizten Zonen des Akkretionsstroms erzeugt, die sich von der variablen Ruheemission unterscheiden. Das dritte Kapitel in dieser Dissertation untersucht die Eigenschaften eines solchen Flares. Ich berichte über den Nachweis eines simultanen hellen Nahinfrarot- und eines moderaten Röntgenflare. Hierbei verwende ich die Kontrollkamera von GRAVITY, um H-Band-Beobachtungen gleichzeitig zu den interferometrischen K-Band-Beobachtung zu erstellen. Desweiteren kombiniere ich diese beiden Nahinfrarot-Lichtkurven mit gleichzeitigen Beobachtungen durch die Weltraumteleskope Spitzer, Chandra und NuSTAR. Mit Hilfe der so gewonnen Flussmessung modelliere ich die Emissionsregion im Flare-Szenario. Ich berechne die SED des Flares unter Berücksichtigung der Synchrotron- und Synchrotron-Selbst-Compton-Emission. Dies erlaubt mir, die Eigenschaften der für die Emission verantwortlichen Elektronenpopulation abzuleiten. Hierbei stelle ich fest, dass die mäßige Röntgenemission entweder sehr hohe Teilchendichten erfordert oder eine Teilchenverteilung erfordert, die bei Lorentz-Faktoren, die dem Röntgenband entsprechen, abgeschnitten ist. Für das letzte Kapitel der Disseration analysiere ich SINFONI Archivdaten der zentralen ∼ 30 ′′ × 30 ′′ Bogensekunden des Galaktischen Zentrums. Diese Analyse führt zum bis dato größten spektroskopischen Katalog dieser Region. Durch die Kombination dieser Daten konnte ich über 2800 Sterne in jung und alt klassifizieren. Über 200 junge Sterne konnten spektroskpisch identifiziert werden. Für 35 dieser junge Sterne konnte eine vollständige Lösung der Orbitgleichungen gefunden werden. Für die anderen 166 Sterne sind nur fünf von sechs Phasenraumkoordinaten bekannt. Ich stelle eine neue, und statistisch formale, Methode vor, welche die Bestimmung der Posteriorverteilung der Phasenraumkoordinaten erlaubt. Diese neue Methode erlaubt es mir, die Posteriorverteilung der Orbitelemente zu bestimmen und die Posteriorverteilung des Drehmoments der jungen Sterne zu bestimmen. Damit kann ich zeigen, dass mindestens vier verschiedene kinematische Strukturen im Galaktischen Zentrum statistisch signifkant sind. Ich bestätige die Präsenz der bekannten verdrehten Sternenscheibe, die sich im Uhrzeigersinn dreht, und der Sternenscheibe im Gegenuhrzeigersinn. Desweiteren kann ich eine neue Sternenscheibe im Galaktischen Zentrum nachweisen. Diese reichhaltige dynamische Struktur ist konsistent mit einer lokalen Bildung der jungen Sterne. Ich favorisiere die Entstehung der jungen Sternen nach Kollision zweier Molekülgaswolken.The Galactic Center, and the massive black hole Sagittarius A* (Sgr A*) therein, represent one of the most exotic places known to mankind. In this thesis, I present two aspects of the Galactic Center: the accretion flow in the direct proximity of the massive Black Hole and the distribution of young stars in its neighbourhood. The thesis has led to three novel observations of Sgr A*’s spectral energy distribution (SED), which I present in the first three chapters of the thesis. In the last chapter of the thesis, I present my results on the young star population found in the Galactic Center. In the first chapter, I report on the simultaneous detection of Sgr A* in two far-infrared observation bands at 160 μm and 100 μm. These are the first observations of Sgr A* in this wavelength regime obtained using the PACS camera on-board the Herschel space-telescope. The measurements are enabled by a custom-tailored data reduction pipeline, which allow far-infrared differential flux measurements in the Galactic Center at an unprecedented noise level. This led to the detection of variable flux at a significance level of 4.5σ at 160 μm and 1.6σ at 100 μm. The detection of variable flux confirms the turn-over of the SED in the sub-mm, and constrains the electron density, magnetic field strength and electron temperature. The results, in combination with modern ALMA observations of Sgr A*, imply lower than previously measured sub-mm fluxes of Sgr A* which require higher electron temperatures. This implies that the accretion flow is optically thin in the sub-mm, and parts of the mm regime. In the second chapter, to study the flux distribution of Sgr A*. I derive the first coherent flux measurement of Sgr A* obtained from the novel dual beam observing mode in 2019. Furthermore, I use light curves of the year 2017 and 2018 which were published in literature before. Due to the very high spatial resolution of GRAVITY Sgr A*’s flux is unconfused from the light of near-by stars, which severely limited similar adaptive optics-assisted studies in the past. This allows, for the first time, to detect Sgr A* at times it is observed with GRAVITY. In consequence, I report the first purely-empirically derived and unconfused flux distribution of Sgr A* and am able to infer the 2.2 μm flux quantiles. I compare several statistical probability distributions to the observed flux distribution. I find that the flux distribution is log-right skewed and only poorly described by a log-normal distribution. The flux distribution is well described by a two-component model: a quiescent log-normal distribution in combination with a powerlaw tail. This manifests the two component consistent of a flaring and quiescence state scenario proposed for Sgr A*. In this scenario, occasional bright near-infrared and X-ray flares are generated in localized and heated zones of the accretion flow, which are distinct from the variable quiescence emission. In the third chapter of this thesis, I study the properties of such a flare. I report the detection of a simultaneous near-infrared bright and moderate X-ray flare. I use the acquisition camera of GRAVITY to derive simultaneous H-band observations alongside the interfero-metric K-band observation. I combine the two near-infrared light curves with simultaneous observations obtained by the Spitzer, Chandra and NuSTAR spacecrafts. With the help of these flux measurements I model the emission region in the flare-scenario and compute the flare’s SED taking into account synchrotron and synchrotron self-Compton emission. This allows me to derive the properties of electron population responsible for the emission. I find that the moderate X-ray emission either requires very high particle densities or a particle distribution which is cut at Lorentz factors corresponding to the X-ray band. In the last chapter of the thesis I present the largest spectroscopic survey of the Galactic Center to date (∼ 30 ′′ ×30 ′′ ). Combining all available SINFONI observations of the Galactic Center allows me to classify over 2800 stars into young and old stars. My work now includes over 230 young stars, for 35 of which full orbital solutions have been determined. For the other 198 young stars only five of six phase space coordinates are known. I present a new, and statistically rigorous method to determine their posterior phase space distribution. This allows to determine the posterior distribution of orbital elements, and, specifically, to determine the ensemble angular momentum direction. Using the new statistical method I show that at least four kinematic structures in the Galactic Center are statistically significant. I confirm the presence of a warp of the clockwise disk, and the presence of a counter-clockwise disk. In addition to the previously introduced, but disputed kinematic features, I show that a third disk of young stars is present in the Galactic Center. This rich dynamical structure is consistent with an in-situ star formation scenario, and specifically, I favour a star formation event after the collision of two giant molecular clouds

Kinder als Mitbetroffene von häuslicher Gewalt : die Vernetzung der betroffenen Kinder mit der Opferhilfe im Kanton Bern

Dans le présent travail, on se pose les questions de savoir si, dans le canton de Berne, il existe un besoin d'agir et d'intégrer les enfants touchés par la violence conjugale (on parle ici des actes de violence entre les parents) à l'aide aux victimes d'infractions. Le travail se concentre sur des enfants de moins de 12 ans, dont les parents, conscients de leur violence, se sont annoncés eux-mêmes à un centre de consultation. Les enfants n'ont aucune offre de soutien (par ex : protection de droit civil de l'enfant). Ces parents sont donc les personnes de contact de référence capables de défendre les intérêts des enfants, ce sont eux qui peuvent mettre les enfants en contact avec les systèmes de soutien appropriés. Généralement, à cet âge, les enfants ne peuvent pas encore chercher de l'aide eux-mêmes. Les centres de consultation sont donc les seules institutions d'état qui, dans de tels cas, offrent des aides de soutien, qui connaissent la situation des enfants, et qui par l'intermédiaire des parents, ont un contact indirect avec les enfants. In der vorliegenden Arbeit wird den Fragen nachgegangen, ob im Kanton Bern ein Handlungsbedarf besteht, Kinder, die von häuslicher Gewalt (hier verstanden als Gewalthandlungen zwischen den Eltern) betroffen sind, mit der Opferhilfe zu vernetzen? Der Fokus der Arbeit liegt auf Kindern unter 12 Jahren, deren gewaltbetroffene Elternteile sich aufgrund des eigenen Gewalterlebens selbständig bei einer Opferhilfeberatungsstelle gemeldet haben. Ihre Kinder sind mit keinem Unterstützungsangebot vernetzt (z.B. zivilrechtlicher Kindesschutz). Diese Elternteile sind die zentralen Ansprechpersonen für die Belange der Kinder, sie können die Kinder mit geeigneten Unterstützungssystemen vernetzen. Die Kinder selbst können sich in diesem Alter in der Regel noch nicht selbständig Hilfe organisieren. Die Opferhilfeberatungsstellen sind damit die einzigen staatlichen Institutionen, die in solchen Fällen Unterstützungsleistungen bieten, von der Situation der Kinder Kenntnis haben und über die gewaltbetroffenen Eltern auch indirekten Kontakt zu den Kindern haben

The Post-Pericenter Evolution of the Galactic Center Source G2

In early 2014 the fast-moving near-infrared source G2 reached its closest approach to the supermassive black hole Sgr A* in the Galactic Center. We report on the evolution of the ionized gaseous component and the dusty component of G2 immediately after this event, revealed by new observations obtained in 2015 and 2016 with the SINFONI integral field spectrograph and the NACO imager at the ESO VLT. The spatially resolved dynamics of the Br$\gamma$ line emission can be accounted for by the ballistic motion and tidal shearing of a test-particle cloud that has followed a highly eccentric Keplerian orbit around the black hole for the last 12 years. The non-detection of a drag force or any strong hydrodynamic interaction with the hot gas in the inner accretion zone limits the ambient density to less than a few 10$^3$ cm$^{-3}$ at the distance of closest approach (1500 $R_s$), assuming G2 is a spherical cloud moving through a stationary and homogeneous atmosphere. The dust continuum emission is unresolved in L'-band, but stays consistent with the location of the Br$\gamma$ emission. The total luminosity of the Br$\gamma$ and L' emission has remained constant to within the measurement uncertainty. The nature and origin of G2 are likely related to that of the precursor source G1, since their orbital evolution is similar, though not identical. Both object are also likely related to a trailing tail structure, which is continuously connected to G2 over a large range in position and radial velocity.Comment: 17 pages, 12 figures; accepted for publication in Ap

A Detection of Sgr A* in the far infrared

We report the first detection of the Galactic Centre massive black hole, Sgr~A*, in the far infrared. Our measurements were obtained with PACS on board the \emph{Herschel} satellite at $100~\mathrm{\mu m}$ and $160~\mathrm{\mu m}$. While the warm dust in the Galactic Centre is too bright to allow for a direct detection of Sgr~A*, we measure a significant and simultaneous variation of its flux of $\Delta F_{\nu\widehat{=}160 ~\mathrm{\mu m}} = (0.27\pm0.06)~\mathrm{Jy}$ and $\Delta F_{\nu\widehat{=}100 ~\mathrm{\mu m}}= (0.16\pm0.10)~\mathrm{Jy}$ during one observation. The significance level of the $160 ~\mathrm{\mu m}$ band variability is $4.5\sigma$ and the corresponding $100 ~\mathrm{\mu m}$ band variability is significant at $1.6\sigma$. We find no example of an equally significant false positive detection. Conservatively assuming a variability of $25\%$ in the FIR, we can provide upper limits to the flux. Comparing the latter with theoretical models we find that 1D RIAF models have difficulties explaining the observed faintness. However, the upper limits are consistent with modern ALMA and VLA observations. Our upper limits provide further evidence for a spectral peak at $\sim 10^{12} ~ \mathrm{Hz}$ and constrain the number density of $\gamma \sim 100$ electrons in the accretion disk and or outflow.Comment: accepted for publication in AP

Optical Distortion in the NACO Imager

In this research note, we present a set of distortion solutions that may be used to correct geometric optical distortion in images taken with the S13 camera of the NACO adaptive optics imager.Comment: published in the RNAA

What stellar orbit is needed to measure the spin of the Galactic center black hole from astrometric data?

Astrometric and spectroscopic monitoring of individual stars orbiting the supermassive black hole in the Galactic Center offer a promising way to detect general relativistic effects. While low-order effects are expected to be detected following the periastron passage of S2 in Spring 2018, detecting higher-order effects due to black hole spin will require the discovery of closer stars. In this paper, we set out to determine the requirements such a star would have to satisfy to allow the detection of black hole spin. We focus on the instrument GRAVITY, which saw first light in 2016 and which is expected to achieve astrometric accuracies $10-100 \mu$as. For an observing campaign with duration $T$ years, $N_{obs}$ total observations, astrometric precision $\sigma_x$ and normalized black hole spin $\chi$, we find that $a_{orb}(1-e^2)^{3/4} \lesssim 300 R_S \sqrt{\frac{T}{4 \text{years}}} \left(\frac{N_{obs}}{120}\right)^{0.25} \sqrt{\frac{10 \mu as}{\sigma_x}} \sqrt{\frac{\chi}{0.9}}$ is needed. For $\chi=0.9$ and a potential observing campaign with $\sigma_x = 10 \mu$as, 30 observations/year and duration 4-10 years, we expect $\sim 0.1$ star with $K<19$ satisfying this constraint based on the current knowledge about the stellar population in the central 1". We also propose a method through which GRAVITY could potentially measure radial velocities with precision $\sim 50$ km/s. If the astrometric precision can be maintained, adding radial velocity information increases the expected number of stars by roughly a factor of two. While we focus on GRAVITY, the results can also be scaled to parameters relevant for future extremely large telescopes.Comment: Accepted to MNRA

Phenotype of autosomal dominant spastic paraplegia linked to chromosome 2

Summary We report the clinical features of 12 families with autosomal dominant spastic paraplegia (ADSP) linked to the SPG4 locus on chromosome 2p, the major locus for this disorder that accounts for ∼40% of the families. Among 93 gene carriers, 32 (34%) were unaware of symptoms but were clinically affected. Haplotype reconstruction showed that 90% of the asymptomatic gene carriers presented increased reflexes and/or extensor plantar responses independent of age at examination. The mean age at onset was 29 years, ranging from 1 to 63 years. Intra- as well as inter-familial variability of age at onset was important, but did not result from anticipation. Phenotype—genotype correlations and comparison with SPG3 and SPG5 families indicated that despite the variability of age at onset, SPG4 is a single genetic entity but no clinical features distinguish individual SPG4 patients from those with SPG3 or SPG5 mutation

Multiwavelength Variability of Sagittarius A* in 2019 July

We report timing analysis of near-infrared (NIR), X-ray, and sub-millimeter (submm) data during a three-day coordinated campaign observing Sagittarius A*. Data were collected at 4.5 micron with the Spitzer Space Telescope, 2-8 keV with the Chandra X-ray Observatory, 3-70 keV with NuSTAR, 340 GHz with ALMA, and at 2.2 micron with the GRAVITY instrument on the Very Large Telescope Interferometer. Two dates show moderate variability with no significant lags between the submm and the infrared at 99% confidence. July 18 captured a moderately bright NIR flare (F_K ~ 15 mJy) simultaneous with an X-ray flare (F ~ 0.1 cts/s) that most likely preceded bright submm flux (F ~ 5.5 Jy) by about +34 (+14 -33) minutes at 99% confidence. The uncertainty in this lag is dominated by the fact that we did not observe the peak of the submm emission. A synchrotron source cooled through adiabatic expansion can describe a rise in the submm once the synchrotron-self-Compton NIR and X-ray peaks have faded. This model predicts high GHz and THz fluxes at the time of the NIR/X-ray peak and electron densities well above those implied from average accretion rates for Sgr A*. However, the higher electron density postulated in this scenario would be in agreement with the idea that 2019 was an extraordinary epoch with a heightened accretion rate. Since the NIR and X-ray peaks can also be fit by a non-thermal synchrotron source with lower electron densities, we cannot rule out an unrelated chance coincidence of this bright submm flare with the NIR/X-ray emission.Comment: Accepted for publication in The Astrophysical Journa

Sgr A* near-infrared flares from reconnection events in a magnetically arrested disc

Large-amplitude Sgr A* near-infrared flares result from energy injection into electrons near the black hole event horizon. Astrometry data show continuous rotation of the emission region during bright flares, and corresponding rotation of the linear polarization angle. One broad class of physical flare models invokes magnetic reconnection. Here we show that such a scenario can arise in a general relativistic magnetohydrodynamic simulation of a magnetically arrested disc. Saturation of magnetic flux triggers eruption events, where magnetically dominated plasma is expelled from near the horizon and forms a rotating, spiral structure. Dissipation occurs via reconnection at the interface of the magnetically dominated plasma and surrounding fluid. This dissipation is associated with large increases in near-infrared emission in models of Sgr A*, with durations and amplitudes consistent with the observed flares. Such events occur at roughly the timescale to re-accumulate the magnetic flux from the inner accretion disc, 10h for Sgr A*. We study near-infrared observables from one sample event to show that the emission morphology tracks the boundary of the magnetically dominated region. As the region rotates around the black hole, the near-infrared centroid and linear polarization angle both undergo continuous rotation, similar to the behavior seen in Sgr A* flares.Comment: revised version, MNRAS, in pres