The mass composition of massive early-type galaxies

Mehrgan, Kianusch (2023): The mass composition of massive early-type galaxies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Es ist anzunehmen, dass die Vielfalt der Galaxien im lokalen Universum aus sukzessiven Generationen von Galaxienverschmelzungen hervorgegangen ist. Massereiche Ellipsen stehen dabei an der Spitze der Hierarchie der Galaxienverschmelzungen. Außerdem bergen sie die größten supermassereichen Schwarzen Löcher. Das Szenario der hierarchischen Verschmelzungen kann viele der beobachteten Eigenschaften von Ellipsen erklären. Dennoch bleibt die genaue Zusammensetzung der Massen in diesen Galaxien schleierhaft. Die Massenfunktion lokaler schwarzer Löcher, und insbesondere ihr oberes Ende, sind nicht bekannt. Auch wissen wir nicht, welcher Anteil der Gesamtmasse einer Galaxie den Sternen und welcher der dunklen Materie zuzuschreiben ist, da es hier stets eine unbekannte Fraktion an stellaren Objekten gibt, welche Masse zur Galaxie beitragen, aber kaum oder gar kein Licht. Auf der einen Seite gibt es eine unbekannte Anzahl an lichtschwachen Zwergsternen, und auf der anderen Seite einen unbekannten Bruchteil an Sternen, der zu Relikten kollabiert ist. Die ursprüngliche massen funktion (UMF) der Sterne umfasst diese Information. Verschiedene Studien der UMF haben eine andere UFM in massiven Ellipsen als in weniger massereichen Galaxien wie unserer Milchstraße ermittelt. Doch meistens produzieren verschiedene Methoden widersprüchliche Resultate für dieselben Galaxien. Auf der Messung nicht-parametrischer Sichtliniengeschwindigkeitsverteilungen (SGV) basierende dynamische Modelle können genützt werden, um Galaxienmassen zu messen und in einzelne Komponenten zu zerlegen. In dieser Dissertation messe ich die nicht-parametrischen SGV von 9 + 1 Ellipsen bis zur Fluchtgeschwindigkeit des jeweiligen Potentials mit unserem Code WINGIFT. Darauf basierend konstruiere ich für acht der Galaxien Schwarzschild Orbit-Modelle. Dabei präsentiere ich hier die Entdeckung eines von nur vier bisher dynamisch gemessenen Schwarzen Löchern mit M_BH > 10^10 M⊙, sowie zwei empirische Relationen zwischen M_BH und der zentralen Flächenhelligkeit, sowie zentralen Oberflächendichte massiver Ellipsen. Mit diesen Relationen lässt sich das obere Ende der Massenfunktion lokaler schwarzer Löcher in der Zukunft gezielt erforschen. Für sieben der Galaxien präsentiere ich dynamische Evidenz für interne Gradienten der UMF. Solche intrinsischen Gradienten der UMF könnten die Diskrepanzen bisheriger auf verschiedenen Methoden basierenden Messungen der UMF lösen. Die gefundenen Gradienten suggerieren, dass sich in den Zentren von Ellipsen sehr kompakte Regionen vorfinden ≲ 1 kpc, deren stellare Populationen einen höheren Anteil an entweder lichtschwachen Zwergsternen oder Relikten vorweisen als es für Populationen im Rest des Universums der Fall ist.

Abstract

It is thought that most galaxies in the local universe are the outcome of several generations of hierarchical mergers of progenitor galaxies. Massive early-type galaxies (ETGs) occupy the top ranks of this hierarchy. They also harbour the biggest supermassive black holes (SMBHS) in the local universe. The merger framework can explain many of the observed properties of different kinds of ETGs. However, the exact mass compositions of these objects remains elusive: For once, the local SMBH mass function is poorly understood and barely sampled at the high mass end. We also do not know how much galaxy mass is contributed by stars and how much by dark matter, because an unknown fraction of stars are low-luminosity dwarf stars, and another unknown fraction of more massive stars have turned into remnants – both of these contribute a significant amount of mass to galaxies, but little or no light. The stellar initial mass function (IMF) underlying the stellar population(s) of a galaxy encompasses this information. Different studies, using different methods have claimed that the IMF in massive ETGs is different from that of less massive galaxies like the Milky Way. But these results have thus far remained overwhelmingly contradictory on the level of individual galaxies. Accurate measurements of non-parametric line-of-sight velocity distributions (LOSVDs) in ETGs can be analysed with Schwarzschild orbit models to produce precise galaxy mass decompositions. In this thesis, I measure the full non-parametric shape of LOSVDs all the way to the escape velocity of each galaxy’s gravitation potential for a total of 9 + 1 massive ETGs using our kinematic fitting code WINGFIT. For eight of the galaxies I construct Schwarzschild models based on these kinematics. I present the discovery of one of so far only four SMBHs more massive than 10^10 M⊙ with direct dynamical detections, and two new SMBH-host scaling relations between MBH and the central surface brightness, as well as surface mass-density of massive galaxies. In the future, these empirical relations can be used for a targeted sampling of the high mass end of the local SMBH mass function. For seven of the ETGs, I present dynamical evidence for internal radial gradients of the IMF. Such gradients can potentially explain the contradictions between previous IMF measurements from different methods. These measurements suggest that the centers of ETGs contain very spatially concentrated regions (r ≲ 1 kpc) of stellar populations with an enhanced fraction of either low-luminosity dwarfs or remnants relative to stellar populations in the rest of the universe.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Galaxien, Galaxiendynamik, schwarze Löcher, Ursprüngliche Massenfunktion, stellare Kinematik
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. November 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Saglia, Roberto Philip