SINFONI observations of nearby AGN and design of an interferometric integral-field spectrograph for the LBT [Elektronische Ressource] / presented by Francisco Müller Sánchez

Francisco Mueller Sanchez

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• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

SINFONI observations of Nearby AGN
and
Design of an interferometric integral-fleld
spectrograph for the LBT
DISSERTATION
submitted to the
Faculty of Physics of the Ludwig Maximilians University of Munc˜ hen, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Dr. rer. nat
presented by
Francisco Muller˜ S¶anchez
born in Mexico City, Mexico
April 2008













































1. Gutachter: Prof. Dr. Reinhard Genzel
2. Gutachter: Prof. Dr. Ortwin Gerhard
Datum der Einreichung: 14. April 2008 der mündlichen Prüfung: 17. Juni 2008 Zusammenfassung
Der starke Energieaussto… von Aktiven Galaxienkernen (AGN) beruht auf der
AkkretionvonMaterieaufeinsupermassivesSchwarzesLoch(SMBH)undimpliziert
ein Gasreservoir in der N˜ahe des AGN. Gem˜a… dem Standardmodell fur˜ AGN spielt
dasGasaucheinewichtigeRollefur˜ diewinkelabh˜angigeBedeckungdesKernsdurch
einen molekularen bzw. staubigen Torus. Im Falle von AGN des Typs 2 schneidet
die Sichtline den Torus (\edge-on") und verdeckt die breiten Emissionslinien. Beim
Typ 1 verl˜auft die Sichtlinie etwa senkrecht zur Ebene des Torus (\pole-on"), was
die Beobachtung breiter Emissionslinien aus der N˜ahe des SMBH erlaubt. Ein weit-
eres bedeutsames Gebiet der AGN-Forschung - neben der Verteilung und Dynamik
des Gases - befasst sich mit der Wechselwirkung von AGN und Gebieten starker
Stenentstehung (\starburst regions") die im Umkreis von einigen Parsec um AGN
beobachtet werden. Die Beobachtung dieser Sternentstehungsgebiete fuhrt˜ zu der
Frage wie sich AGN und Sternentstehung gegenseitig beein ussen.
GegenstanddieserDissertationistdiePhysikderStenentstehungunddesmoleku-
laren Gases in ausgew˜ahlten nahegelegenen AGN. Diese Arbeit beruht auf r˜aumlich
hochaufgel˜osten Daten bei nahinfraroten Wellenl˜angen, die mit dem abbildenden
Spektrometer SINFONI am Very Large Telescope unter Verwendung einer adaptiver
Optik gewonnen wurden. Die beiden untersuchten Zielobjekte { die Circinus-Galaxie
und NGC1068 { geh˜oren zu den aufi˜alligsten und hellsten Seyfert-2-Galaxien.
In Falle von Circinus ahneln˜ die Emissionslinien von H 1{0 S(1) und Br? dem2
˜stellaren Kontinuum in Bezug auf Kinematik und Morphologie. Diese Ahnlichkeit
spricht fur˜ einen gemeinsamen Ursprung in Sternentstehung. Innerhalb von 8 pc
um den AGN ereignet sich seit 100 Myr starke Sternentstehung, die momentan fur˜
1.4% der Leuchtkraft der Galaxie verantwortlich ist. Morphologie und Kinematik
des Gases sind konsistent mit einer rotierenden opaken dicken Scheibe; diese Scheibe
intepretieren wir als Analogon zu einem molekularen/staubigen Torus. Da sich Gas
und Sterne im selben Gebiet beflnden, muss dieser Torus Sterne bilden. Aus den
Grenzen fur˜ die Extinktion von Sternlicht ergibt sich, dass es sich um ein klumpiges
Medium handelt.
In Falle von NGC1068 konzentriert sich die Analyse auf die Eigenschaften des
molekularen Gases im zentralen Parsec des AGN. Bei einer Winkelau ˜osung von
000:075 zeigt eine Karte der Emission von molekularem Wasserstofi zwei aufi˜allige lin-
eareStrukturen, dievonNordennachSuden˜ aufdenAGNzeigen. DieKinematikdes
Gases in diesen Strukturen ist von nicht-zirkularer Bewegung dominiert; dies deutet
auf das Einstr˜omen von Gas auf hochelliptischen oder parabolischen Bahnen hin,
deren Lage mit der galaktischen Ebene ub˜ ereinstimmt. Dies l˜asst sich als Gaszufuhr
in die Zentralregion verstehen. Eine der einfallenden Wolken beflndet sich direkt
vor dem Schwarzen Loch. Diese durch Gezeitenkr˜afte zerrissene Wolke bildet eine
amorphe, klumpige molekulare/staubige Struktur die den AGN verdeckt.
iDiegeschildertenBeobachtungenmachendieVorteilevonabbildenderNahinfrarot-
SpektroskopiebeiderUntersuchungderVerteilungundKinematikvonGasundSter-
nen im zentralen Parsec von AGN deutlich.
Dieses Forschungsprogramm k˜onnte durch Verwendung des interferometrischen
FokusdesLargeBinocularTelescope(LBT)eineneueQualit˜atimSinnevonEmpflnd-
lichkeit und r˜aumlicher Au ˜osung erreichen. Die Halbwertsbreite (FWHM) einer in-
terferometrischabgebildetenPunktquellewirdetwa16masbei2:0„mbetragen, weit
jenseits der F˜ahigkeiten bisheriger 8{10m Teleskope. Das MPE und die Universit˜at
K˜oln haben im Rahmen des Projekts SERPIL/LIINUS verschiedene Ausfuhrungen˜
eines abbildenden Spektrometers fur˜ den interferometrischen Fokus des LBT unter-
sucht. Gegenstand des instrumentellen Teils dieser Arbeit ist die Einkopplung von
Licht aus einer doppelten Pupille in optische Fasern in verschiedenen Konflguratio-
nen. Dieses Verfahren ist entscheidend fur˜ den Entwurf eines Spektrographen der auf
einer Lenslet+Faser Integralfeldeinheit (IFU) beruht. Speziell fur˜ LBT kommen zwei
Konzepte fur˜ ein derartigesInstrument in Frage: Einerseits anamorphe Vergr˜o…erung
in Verbindung mit quadratischen Mikrolinsen, die an Einzel- oder wenige-Moden-
Faserngekoppeltwerden; andererseitsrechteckigeMikrolinsen, dieanwden-
Fasern mit mehr als drei ub˜ ertragenen Moden gekoppelt werden.
iiAbstract
The high energy output of an Active Galactic Nucleus (AGN) is due to the accre-
tionofmaterialontoasupermassiveblackhole(SMBH)andimpliesthepresenceofa
gasreservoirclosetotheAGN.Furthermore,accordingtotheUnifledModelofAGN,
the gas also plays an important role in the aspect-angle obscuration of the nucleus
produced by a molecular/dusty torus. In the case of Type 2 AGN the line-of-sight
intercepts the torus (edge-on) and obscures the broad emission lines. In Type 1 the
torus is orientated such that the line-of-sight is perpendicular to the plane of the
torus (pole-on) allowing observations of the broad emission lines close to the SMBH.
In addition to the gas distribution and dynamics in the nucleus, the coexistence of an
AGN and a starburst region on scales of a few parsecs around the centers of active
galaxies,isoneofthekeyissuestoinvestigateinthefleldofAGNresearch. Increasing
evidence that starbursts do occur in the vicinity of AGN has revived the importance
of disentangling how AGN and star formation activity impact on each other.
The scientiflc goal of this thesis is to carefully explore, at the highest available
spatial resolution, the nature of the nuclear star formation and the molecular gas in
a selected number of nearby AGN by means of adaptive optics assisted near-infrared
integralfleldspectroscopywiththeSINFONIinstrumentattheVeryLargeTelescope.
ThetwostudiedtargetsarethemostprominentandbrightestSeyfert2galaxies: The
Circinus galaxy and NGC1068.
InCircinus,thesimilarityofthemorphologiesoftheH 1{0S(1)andBr? emission2
lines to the stellar continuum and also their kinematics, suggest a common origin in
star formation. Within 8 pc of the AGN there has been a recent starburst in the last
100Myr, whichcurrentlyaccountsfor1.4%ofthegalaxysbolometricluminosity. The
morphology and kinematics of the gas are consistent with those of a rotating opaque
thick disk, which we associate with the molecular/dusty torus. Since the scales on
which the gas and stars exist are similar, this torus must be forming stars, and due
to the limits on extinction to the stars, it must be a clumpy medium rather than an
uniform structure.
In NGC1068, the analysis was focused to the properties of the molecular gas in
00the central parsec of the AGN. At a resolution of 0:075 , the ux map of molecular
hydrogenemissionaroundthenucleusrevealstwoprominentlinearstructuresleading
totheAGNfromthenorthandsouth. Thekinematicsofthegasinthesefeaturesare
dominated by non-circular motions and indicate that material is streaming towards
the nucleus on highly elliptical or parabolic trajectories whose orientations are com-
patible with that of the disk plane of the galaxy. This is interpreted as evidence for
fueling of gas to the central region. One of the infalling clouds lies directly in front of
the central engine. This is understood as a tidally disrupted streamer that forms the
optically thick outerpart of an amorphous clumpy molecular/dusty structure which
contributes to the nuclear obscuration.
iiiThese observations show the advantages of near-IR integral-fleld spectroscopy in
studying the distribution and kinematics of the stars and gas in the central parsec of
AGN.
This science program could be brought to a next level in terms of increased sensi-
tivity and spatial resolution by performing similar observations at the interferometric
focus of the Large Binocular Telescope (LBT). The FWHM of the in
beam at 2:0„m will be »16 mas, ofiering unique imaging and spectroscopic capa-
bilities well beyond the angular resolution of current 8{10m telescopes. A design
study which explores the several technical solutions for the design of an interferomet-
ric integral-fleld spectrometer for the LBT has been undertaken by the Max Planck
Institute for extraterrrestrial Physics and the University of Cologne under the name
of SERPIL/LIINUS. The goal of the instrumental part of the thesis is to investigate
the physics of coupling light from a double pupil to optical flbers in several conflgu-
rations. This is crucial for the design of the spectrograph based on a lenslet+flbers
integral fleld