Co-evolution of galaxies and black holes [Elektronische Ressource] / Michaela Hirschmann. Betreuer: Andreas Burkert

Michaela Hirschmann

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• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 39
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Dissertation
Co-Evolution Of Galaxies
And Black Holes
vorgelegt von
Michaela HirschmannCo-Evolution Of Galaxies
And Black Holes
Dissertation
PhD thesis
zur Erlangung der Doktorwürde
for the degree of Doctor of natural science
an der Fakultät für Physik
at the Faculty for Physics
der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), München
of the Ludwig-Maximilians-University (LMU) of Munich
vorgelegt von
presented by
Dipl.-Phys. Michaela Hirschmann
aus Nürnberg, Deutschland
from Nürnberg, Germany
München, 12. Mai 2011Ludwig Maximilians University of Munich
Erster Gutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert (USM, LMU)
First advisor
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Joseph Mohr (USM, LMU)
Second advisor
Tag der mündlichen Prüfung: 17.6.2011
Day of oral exam"Zwei Dinge erfüllen das Gemüt mit immer neuer zunehmender Bewunderung und
Ehrfurcht, je öfter und anhaltender sich das Nachdenken damit beschäftigt: Der
bestirnte Himmel über mir und das moralische Prinzip in mir. "
Immanuel Kant, deutscher Philosoph, 1724-1804vii
Zusammenfassung
Beobachtungen zeigen, dass die Massen schwarzer Löcher und die Eigenschaften
ihrer Heimatgalaxien (“Hostgalaxie”) deutlich korreliertsind,wasalsNachweisfüreine
gemeinsame Entwicklung zwischen Galaxien und ihren schwarzen Löchern angesehen
werden kann. Dies impliziert, dass schwarze Löcher zum einendasWachstumder
Galaxien regulieren und zum anderen Galaxien die Entwicklung der schwarzen Löcher
selbstbeeinflussen. EinumfassendesVerständnisdafürfehltallerdingsbisheute. Daher
untersuche ich in dieser Arbeit verschiedene Aspekte, wie sich Galaxien und schwarze
Löcherentwickeln, z.B.dieKorrelationenzwischenschwarzenLöchernundGalaxienbei
hohen Rotverschiebungen und das antihierarchische Wachstum von schwarzen Löch-
ern. Um die Entwicklung von Galaxien und das damit zusammenhängende Wachstum
von schwarzen Löchern zu modellieren und insbesondere, um eine grosse Anzahl von
Galaxien mit schwarzen Löchern zu generieren, sind analytische oder semianalytische
Modelle (SAMs) die am besten geeigneten Methoden.
Im ersten Teil meiner Arbeit wird gezeigt wie Galaxien- und Schwarzloch-Wachstum
allein durch Verschmelzungsprozesse die Korrelation zwischen schwarzen Löchern und
Galaxien bei hohen Rotverschiebungen und die intrinsische Streuung in der Masse
des schwarzen Lochs beeinflussen. Im einfachen Fall von zufälligem Verschmelzen
von schwarzen Löchern und Galaxien nimmt die Streuung in der Schwarzlochmasse
bei gegebener Galaxienmasse mit zunehmender Anzahl von Verschmelzungsprozessen,
Zeit und Masse des schwarzen Loches ab, wie es von dem Zentralen Grenzwertsatz
in der Statistik vorhergesagt wird. Generell kann die Streuung durch ! (m) !merg
!a/2! "(m+1) mit 0<a<1 abgeschätzt werden. Kosmologisches Verschmelzenini
basierend auf Verschmelzungsbäumen dunkler Materie von kosmologischen N-body
Simulationen zeigt eine ähnliche Abnahme der Streuung mit a=0.3 für m ! 50.
Das herausragende Fazit dieses Kapitels ist, dass die Ergebnisse, unter der Annahme
einer heutigen Streuung von 0.3 dex in der Masse des schwarzenLoches,eineStreu-
ung von 0.6 dex bei einer Rotverschiebung von z=3implizieren. Dies stellt damit
ein mögliches Szenario dar, in dem schwarze Löcher bei hohen Rotverschiebungen, die
vornehmlich oberhalb bzw. unterhalb der heutigen Korrelation zwischen schwarzen
Löchern und Galaxienmassen liegen, die Folge einer grösseren Streuung bei hohen
Rotverschiebungen sein könnten. In anderen Worten, “übermassive” bzw. “untermas-
sive” schwarze LöcherbeihohenRotverschiebungen könntenlediglichdurchstatistische
Verschmelzungsprozesse erklärt werden, ohne dass das Wachstum von schwarzen Lö-
chern und Galaxien durch gas-physikalische Prozesse verknüpft sein muss.
Trotz der Wichtigkeit von Verschmelzungsereignissen repräsentiert jedoch die Akkre-
tion von Gas auf schwarze Löcher einen bedeutenden Beitrag zum Gesamtwachstum
von schwarzen Löchern. Dies ist insbesondere relevant, um dasrätselhafte,beobachtete
antihierarchische VerhaltenimWachstumvonschwarzen Löchern verstehen zukönnen,
was das Thema des zweiten Teils meiner Arbeit darstellt. AntihierarchischesWachstum
von schwarzen Löchern bedeutet, dass leuchtkräftige, aktive galaktische Kerne (AGN)
bereits sehr früh im Universum vorhanden sind, wohingegen weniger leuchtkräftigeviii
AGN vornehmlich zu späteren Zeiten auftreten. Verknüpft mandieLeuchtkrafteiner
aktiven Galaxie mit der Schwarzlochmasse würde dies im Konflikt zu momentan fa-
vorisierten, hierarchischen Strukturmodellen stehen, in denen sich zuerst kleinskalige
Strukturen bilden, welche sich mit fortschreitender Zeit zuimmerGrösserenakku-
mulieren. Aufgrund der Komplexität der gas-physikalischenProzesseverwendeichfür
diese Untersuchung semianalytische Modelle (SAMs), welcheeineNäherungfürdie
wichtigsten Prozesse in Galaxienentstehung und für das Wachstum schwarzer Löcher
beinhalten. Die SAMs basieren aufeiner der momentan grössten numerischen Simula-
tionenvondunkler Materie, der Millennium-Simulation (Boxlänge: 500Mpc, Teilchen-
10zahl: 10 ). DabeischeinenAkkretionaufschwarzeLöcheraufgrundvonScheibeninsta-
bilitäten,eine“sub-Eddington” GrenzefürGasakkretion, welche von Masse und Rotver-
schiebung abhängt, und massive, anfängliche schwarze Löcher wichtige “Schlüssel”-
Prozesse darzustellen um den antihierarchischen Trend erklären zu können. Darüber-
hinaus, kann eine rotverschiebungsabhängige Staubverschleierung zusätzlich alswichti-
ges Puzzleteil fürdas Verständnis des antihierarchischen Verhaltens angesehen werden.
Das“best-fit” Modelldieser Arbeit,welchesdieobenerwähntenProzessebeinhaltet,ze-
ichnet sich dadurch aus, dass es die beobachtete, heutige Schwarzloch-Massenfunktion
und die heutige Galaxien-Halomassen Relation reproduzieren kann genauso wie es die
bolometrische AGN Leuchtkraftfunktion und diejenige im harten Röntgenbereich kor-
rekt voherzusagen vermag.
Allerdings besteht ein entscheidender Nachteil von SAMs in einem höheren Grad an
analytischen Näherungen (grosser Parameterraum) als in hydrodynamischen Simula-
tionen. Im letzten Teil meiner Arbeit vergleiche ich daher die kosmische Entwicklung
derbaryonischenKomponenteinGalaxienundderenUnterteilungineinestellareKom-
ponente, in heisses und in kaltes Gas in 48 kosmologischen “zoom” Simulationen mit
bislang unerreichter Auflösung und in SAMs, die auf derselbenVerschmelzungshistorie
von dunkler Materie basieren. Die Simulationen beinhalten Kühlen durch He & H,
Photoionization, Sternentstehung und energetische Supernova Rückkopplung. Bein-
halten SAMs dieselben physikalischen Prozesse wie die Simulationen, reproduzieren
sie den baryonischen Anteil in Halos besser als 20% verglichen mit Simulationen. Die
bemerkenswertesten Unterschiede zwischen den beiden Modellen sind allerdings die
folgenden: Simulationen haben eine wesentlich grössere Sternentstehungse!zienz bei
hohen Rotverschiebungen als SAMs. Ausserdem dominiert in SAMs “insitu” Ster-
nentstehung bei allen Rotverschiebungen, wohingegen in Simulationen die Akkretion
von Sternen der dominierende Prozess bei niedrigeren Rotverschiebungen wird. Zuletzt
überschätzen dieSAMsdenAnteilvon“heisser” relativzu“kalter” Akkretionverglichen
mitSimulationen. DerGrundfürdieseDiskrepanzenbestehtinvereinfachtenund/oder
fehlenden physikalischen Prozessen in SAMs. Ein wichtiger,zukünftigerAspektkön-
nte demnach darin bestehen, SAMs zu verbessern und auszuweiten, motiviert durch
kosmologische Simulationen, insbesondere um die Auswirkung auf die Entwicklung der
AGN Galaxien zu untersuchen.