Stars in the Galactic Centre

Cuadra Stipetich, Jorge (2006): Stars in the Galactic Centre: Sources and Probes of the Accretion Flow. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In the centre of our Galaxy lies Sgr~A*, a $3.5 \times 10^6$ solar mass black hole, immersed in a star cluster with dozens of massive stars. The very low luminosity of Sgr~A*, and the presence of young stars in the close proximity of a super-massive black hole, make the Galactic centre a very interesting region on its own. Moreover, its proximity allows the study of the physics of galactic nuclei with a level of detail unattainable in any other system. In this thesis, we first show that the interaction of massive stars with an accretion disc would appear as strongly variable emission in the near infra-red. Since observations have not shown this variability, we strongly constrain the current existence of such a disc in the Galactic centre. We argue however that a massive gaseous disc existed around Sgr~A* only a few million years ago. The evidence for this idea comes from the presence of young massive stars in two stellar discs. We estimate the properties of the gaseous disc that gave rise to the massive stars, and we analyse the stellar orbits to constrain this scenario. A related but separate topic presented here is the role of the stellar winds expelled by the same stars in feeding Sgr~A* and shaping its immediate gaseous environment. We find that a fraction of these stellar winds form cold clumps that coexist with the X-ray emitting gas, forming a two-phase medium. Only a small fraction of the gas is captured by Sgr~A*, with an accretion rate strongly variable on time-scales of hundreds of years. This variability suggests that the time-averaged energy output of Sgr~A* may be much larger than what is currently observed.

Abstract

En el centro de la V\'ia L\'actea se encuentra Sgr~A*, un agujero negro de $3.5 \times 10^6$ masas solares rodeado por docenas de estrellas masivas. La baja luminosidad de Sgr~A* y la presencia de estrellas j\'ovenes muy cerca de un agujero negro supermasivo hacen que el centro gal\'actico sea una regi\'on de por s\'i muy interesante. Pero lo m\'as importante es que su proximidad nos permite estudiar la f\'isica de nucleos gal\'acticos con un nivel de detalle inalcanzable en ning\'un otro sistema. En esta tesis, primero mostramos que la interacci\'on entre estrellas masivas y un disco de acreci\'on ser\'ia detectada como emisi\'on variable en el infrarrojo cercano. Como esta variabilidad no ha sido observada, encontramos que es muy dif\'icil que un disco exista actualmente en el centro de la V\'ia L\'actea. Sin embargo, argumentamos que hubo un disco masivo alrededor de Sgr~A* hace s\'olo unos millones de a\~nos. La presencia de estrellas j\'ovenes masivas en dos discos estelares da evidencia en favor de esta idea. Estimamos las propiedades del disco de gas que origin\'o las estrellas, usando tambi\'en las \'orbitas de las estrellas que se observan hoy en d\'ia. Otro tema relacionado que presentamos aqu\'i es el rol de los vientos de estas mismas estrellas en el crecimiento de Sgr~A* y la morfolog\'ia del ambiente gaseoso. Encontramos que parte de los vientos estelares forman grumos fr\'ios que quedan inmersos en el gas caliente que emite en rayos~X. S\'olo una peque\~na fracci\'on del gas es capturado por Sgr~A*, con una tasa de acreci\'on que var\'ia fuertemente en escalas de tiempo de cientos de a\~nos. Esta variabilidad sugiere que la energ\'ia promedio liberada por Sgr~A* puede ser mucho m\'as grande que lo que se observa actualmente.

Abstract

Im Zentrum der Milchstra{\ss}e befindet sich, eingebettet in einen Sternhaufen mit Dutzenden massereicher Sterne, das Schwarze Loch Sgr~A* mit einer Masse von $3.5 \times 10^6$ Sonnenmassen. Die geringe Leuchtkraft von Sgr~A* sowie die Anwesenheit junger Sterne in der unmittelbaren Umgebung dieses supermassiven Schwarzen Lochs machen das Galaktische Zentrum zu einer sehr interessanten Region. Dar\"uberhinaus erlaubt seine geringe Entfernung die Untersuchung der Physik galaktischer Kerne mit einer in keinem anderen System erreichbaren Detailliertheit. In dieser Arbeit zeigen wir zuerst, dass die Wechselwirkung von massereichen Sternen mit einer Akkretionsscheibe sich als stark variable Emission im nahen Infraroten \"au{\ss}erst. Da eine derartige Variabilit\"at nicht beobachtet wird, k\"onnen wir strenge Schranken f\"ur eine derartige Scheibe im Galaktischen Zentrum der Gegenwart angeben. Wir argumentieren allerdings, dass eine massereiche Gasscheibe vor wenigen Millionen Jahren um Sgr~A* existiert hat. Gest\"utzt wird diese Annahme durch die Anwesenheit junger massereicher Sterne, die in zwei Ebenen angeordnet sind. Wir sch\"atzen die Eigenschaften der Gasscheibe, aus der die massereichen Sterne entstanden, ab und analysieren die stellaren Orbits, um dieses Szenario zu quantifizieren. Ein verwandtes, aber separates Thema, welches hier diskutiert wird, befasst sich mit der Rolle der Sternwinde, die von eben jenen Sternen emittiert werden, f\"ur Sgr~A* und seine unmittelbare gashaltige Umgebung. Wir kommen zu dem Schluss, dass ein Teil dieser Sternwinde kalte Klumpen bildet, die mit dem im R\"ontgenbereich emittierenden Gas koexistieren und somit ein zwei-Phasen-Medium bilden. Nur ein kleiner Bruchteil des Gases wird von Sgr~A* akkretiert, wobei die Akkretionsrate auf Zeitskalen von einigen hundert Jahren stark schwankt. Diese Variabilit\"at l\"asst die Vermutung zu, dass die zeitlich gemittelte Energieabgabe durch Sgr~A* weitaus st\"arker sein k\"onnte als die gegenw\"artig beobachtete.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: accretion, accretion disks ISM: dust, extinction eclipses Galaxy: center stars: individual: S2 black hole physics stars: formation methods: numerical stars: winds, outflows galaxies: active
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Oktober 2006
• 1. Bericht­erstatter:in: Sunyaev, Rashid