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Lützgendorf, Nora (2013): Intermediate-mass black holes in globular clusters, Mittelschwere Schwarze Löcher in Kugelsternhaufen. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

This work is focused on the search for intermediate-mass black holes (IMBHs) in the centers of globular clusters. It has been demonstrated that supermassive black holes (SMBHs) at the centers of galaxies show a tight correlation between their mass (M•) and the velocity dispersion (σ) of the galaxy. Investigating this M• − σ and similar correlations is crucial to constrain scenarios of galaxy formation and evolution. If they formed by runaway collisions of massive stars in young and dense stellar clusters, IMBHs could still be present in the centers of globular clusters, today. We measured the inner kinematic profiles for a sample of 9 galactic globular clusters using integral-field spectroscopy and combined them with existing outer kinematics and photom- etry obtained form HST archive images. In order to constrain the mass of a possible black hole we applied analytical Jeans models in combinations with varying M/LV profiles to each of the clusters. The results of these fits range from strong hints towards an IMBH (e.g. NGC 6388) to globular clusters which do not show any indications of a rising velocity dis- persion profile in their center (e.g. NGC 2808). Furthermore, the discovery of two high velocity stars in NGC 2808 opened another opportunity to study the internal kinematics of this particular cluster and indicates a high number of stellar-mass black holes in NGC 2808. We finally combined our results with measurements from the literature and investigated known scaling relations for SMBHs in galaxies (e.g. M• − σ) at the low-mass end by plac- ing the results and upper limits of IMBH measurements on these correlations. We found that IMBHs follow similar, but more shallow correlations of their mass and the properties of their host systems. This might be caused with the severe mass-loss the cluster suffers during its life time. In addition we ran numerical N-body simulations and compared globular clusters with dif- ferent black-hole retention fractions, IMBH masses and binary fractions. We found that IMBHs lead to a higher ejection rate of massive stars so that clusters with less depleted mass functions might therefore be good candidates to host IMBHs at their centers. In the future more N-body simulations will be performed in order to reproduce our observations in a more sophisticated way and perform crucial tests to our observing and analysis methods. The search for IMBHs requires both high spatial and spectral resolution and will remain at the edge of feasibility. However, it is crucial to continue the investigations in order to shed light on black-hole formation and growth.

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Suche nach mittelschweren Schwarzen Löch- ern in Kugelsternhaufen. In den letzten Jahren gab es bei zahlreichen Beobachtungen von supermassiven schwarzen Löchern Hinweise auf einen engen Zusammenhang zwis- chen ihren Massen (M•) und den charakteristischen Eigenschaften der Galaxien (z.B. Geschwindigkeitsdispersion σ ). Die Betrachtung dieser Zusammenhänge trägt erheblich dazu bei, Bildung und Entwicklung massiver Schwarzer Löcher zu verstehen. Die Er- forschung masseärmerer Schwarzer Löcher hat dabei eine zunehmende Bedeutung erlangt, um die Gültigkeit der für supermassive Schwarze Löcher entdeckten Zusammenhänge an ihnen zu testen. Desweiteren gelten sie als hervoragende Kandidaten als sogenannte Keime für den Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher zu fungieren und das Rätsel ihrer rapider Massenzunahme zu lösen. In den dieser Arbeit zugrunde liegenden Beobachtungen wurden kinematische Profile von neun galaktischen Kugelsternhaufen untersucht. Dabei wurde die integral-field spectroscopy verwendet, die zu den modernsten spektroskopischen Techniken gehört. Darüber hinaus vereinten wir photometrische Profile dieser Kugelsternhaufen, die mit den Hubble Space Telescope aufgenommen wurden, mit den spektroskopischen Aufnahmen und verglichen die Ergebnisse mit analytischen Modellen. Durch dieses Vorgehen wurde es möglich, für je- den Kugelsternhaufen die Masse oder die Obergrenze der Masse des zentralen Schwarzen Loches zu bestimmen. Steigt das kinematische Profil zum Zentrum des Haufens stärker an als aufgrund des photometrischen Profis zu erwarten wäre, so weist dies auf ein dunkles Objekt im Zentrum hin - ein Schwarzes Loch. Im Ergebnis zeigt sich, dass es sowohl Kugel- sternhaufen mit starken Anzeichen für ein zentrales Schwarzes Loch (wie zum Beispiel NGC 6388) als auch Kugelsternhaufen mit sehr flachem Profil (NGC 2808) und damit kaum Anzeichen für zusätzliche Masse im Zentrum des Haufens gibt. Schließlich haben wir die Ergebnisse unserer Messungen mit Werten aus der Literatur zur M• − σ - Relation superschwerer Schwarzer Löcher verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass mit- telschwere Schwarze Löcher eine ähnliche, allerdings flachere Korrelation aufweisen. Diese Abflachung könnte ihre Ursache im starken Masseverlust der Kugelsternhaufen während ihrer Lebensdauer haben. Neben den Beobachtungen wurden sogenannte N-Körper Simulationen durchgeführt. Sie ermöglichen einen tiefen Einblick in die internen dynamischen Prozesse in Kugelsternhaufen. Sie geben Hinweise auf mögliche Fehlerquellen bei unseren Beobachtungsmethoden und bieten einen Vergleich zu den erhobenen Daten. Die Zukunft der Erforschung mittelschwerer Schwarzer Löcher liegt in der Entwicklung im- mer hochauflösender und sensiblerer Instrumente, die es ermöglichen, noch weiter entfernte Objekte auf Schwarze Löcher zu untersuchen.