The bright side of the black hole [Elektronische Ressource] : flares from Sgr A* / vorgelegt von Katie Dodds-Eden

Katie Dodds-Eden

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 16
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

The Bright Side of the Black Hole:
Flares from Sgr A*
Katie Dodds-Eden
Mu¨nchen 2010The Bright Side of the Black Hole:
Flares from Sgr A*
Katie Dodds-Eden
Dissertation
an der Fakult¨at fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Mu¨nchen
vorgelegt von
Katie Dodds-Eden
aus Canberra, Australia
Mu¨nchen, den 28. September 2010Erstgutachter: Prof. Dr. Reinhard Genzel
Zweitgutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 13. December 2010To the dear memory of my grandmother, Reta Dodds, my
uncle, Ken Moyse, and my granddad, Francis Eden.viContents
Zusammenfassung xv
Summary xvii
1 Black Holes in Nature 1
1.1 A Theoretical Curiosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Schwarzschild black holes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Kerr black holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 The Search for Real Black Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Radiation from Accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 The Massive Black Hole at the Galactic Center 9
2.0.1 Sgr A*: the Radio to Submm Source . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.0.2 Near-infrared and X-ray Flares from Sgr A* . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Models for Sgr A* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1 The submm-radio source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.2 Flare Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Radiation Processes 19
3.1 Simple Radiative Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Homogeneous Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Synchrotron Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Properties of the Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Inverse Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Multiwavelength Observations and the Emission Mechanism 31
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2.1 IR/NIR Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.2 X-ray Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.3 Mid-Infrared Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1 Simultaneity of infrared and X-ray flare . . . . . . . . . . . . . . . . 41viii CONTENTS
4.3.2 General Lightcurve Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.3 Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.4 Shortest time-scale variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.5 Power Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.6 Spectral Energy Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4 Modelling the flare state SED of Sgr A* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.1 icmodel: inverse Compton scattered submm bump photons . . . . 48
4.4.2 sscmodel: inverse Compton scattered NIR flare photons . . . . . . 51
4.4.3 powerlaw: single power law synchrotron emission . . . . . . . . . . 51
4.4.4 powerlawcool: power law synchrotron emission with cooling break 51
4.5 Flare Evolution: Lightcurve Shape and Substructure . . . . . . . . . . . . 52
4.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6.1 Why inverse Compton scenarios don’t work . . . . . . . . . . . . . 54
4.6.2 Comparison with past multiwavelength studies . . . . . . . . . . . . 56
4.6.3 The electron energy distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6.4 The jet model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.6.5 Substructure in the context of an orbiting hot spot model. . . . . . 61
4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 Time Dependent Flare Models 65
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Flaring in Accretion Disk Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.1 Numerical Setup and Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3 Lightcurve Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.1 Numerical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.2 Lightcurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.3 Quasi-stationary Flare Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.4 Expanding Plasma: a “Coronal Mass Ejection” . . . . . . . . . . . 80
5.3.5 Energetics and the Size of the Emitting Region . . . . . . . . . . . 86
5.3.6 Effect of the Decreasing Magnetic Field on the Steady State Emission 87
5.3.7 Lightcurve Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.1 Conclusions: NIR and X-ray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.2 Conclusions: Millimeter and radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4.3 Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Six year lightcurve from Sgr A* 95
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.1 Aperture Photometry of Ks-band data 2004-2009 . . . . . . . . . . 101
6.2.2 PSF photometry of Ks-band data from 2009 . . . . . . . . . . . . . 105
6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Inhaltsverzeichnis ix
6.3.1 Flux Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3.2 Is Sgr A* really continuously variable? . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3.3 The Effect of Observation Errors on the Flux Distribution . . . . . 113
6.3.4 Long timescale variability (∼weeks to months) . . . . . . . . . . . . 114
6.4 Discussion/Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.4.1 Two states of Sgr A* in the near-infrared . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.4.2 Consistency with previous measurements of Sgr A* at low Ks-band fluxes117
6.4.3 Comparison with X-ray binary variability . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.4.4 Wavelength Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4.5 Timing Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7 Conclusions 121
Acknowledgements 131x Inhaltsverzeichnis