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Galaxies and Supermassive Black Holes Evolving in a Secular Universe

Cisternas, Mauricio

German Title: Galaxien und supermassereiche Schwarze Löcher in einem säkularen Universum

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Abstract

Most massive galaxies host a supermassive black hole (BH), that had most of its mass built up throughout bright periods of vigorous accretion, during which it is referred to as an active galactic nucleus (AGN). In the local universe it has been observed that BH mass (M_BH) follows tight correlations with various properties of the galactic bulge in which it resides. This led to the currently popular co-evolution'' picture, in which most present-day galaxies went through at least one active phase in the past, during which a link between galaxy and BH gets established. However, more robust observational constraints are required on how galaxy and BH related at earlier times, and which mechanism is responsible for triggering these BH growth phases. This thesis studies a large sample of AGN out to z~1 from the COSMOS survey, selected from their X-ray emission and imaged in finest detail with the Hubble Space Telescope, allowing the study of growing BHs together with their host galaxies. We present new constraints on the ratio of BH mass to total galaxy stellar mass (M_*) over the last 7 Gyr for 32 type-1 AGN. We show that the M_BH-M_* ratio at z~0.7 is consistent with the local relation between BH mass and galactic bulge mass. For these galaxies to obey the local relation only a redistribution of disk-to-bulge mass is needed, likely driven by passive secular evolution. We then tackle and answer a 30-year old question: what is the relevance of major mergers and interactions as triggering mechanisms for AGN activity? We visually analyze the morphologies of 140 AGN out to z~1 looking for signatures of recent mergers, and compare them with a control sample of over 1200 matched inactive galaxies. We find that the merger fraction of the AGN host galaxies is statistically identical to the corresponding inactive galaxy population, at roughly 15%. Together with the fact that the majority of the AGN host galaxies are disk-dominated, unlikely relics of a recent major merger, these results are the strongest evidence to date that secular evolution rather than major merging has dominated BH fueling at least since z~1, and that BHs and galaxies have, for the last 7 Gyr, evolved in a secular universe.

Translation of abstract (German)

Die meisten massereichen Galaxien enthalten in ihrem Zentrum supermassereiche Schwarze Löcher (BH), die den Groß teil ihrer Masse in Phasen starker Akkretion aufbauen. Das während dieser Zeit hell leuchtende Zentrum wird aktiver Galaxienkern genannt (AGN). Beobachtungen im lokalen Universum zeigen eine enge Korrelation zwischen der Schwarzlochmasse und verschiedenen Eigenschaften des stellaren "Bulges" der Galaxie. Diese Erkenntnis führte zur Einführung des populären Szenarios der "Ko-Evolution", in dem die meisten der heutigen Galaxien mindestens eine aktive Wachstumsphase durchleben wärend der eine Verbindung zwischen der Galaxie und dem schwarzen Loch hergestellt wurde. Um das Verhältnis von BH und Galaxien zu frühen kosmologischen Zeiten weitergehend zu untersuchen und die Mechanismen und Auslöser des gemeinsamen Wachstums herauszufinden werden jedoch robustere Einschränkungen durch Beobachtungen benötigt. Diese Arbeit analysiert eine groß e Stichprobe von AGN bis hin zu z~1 aus dem COSMOS Survey. Die Objekte wurden durch Röntgenstrahlung selektiert und im höchster räumlicher Auflösung mit dem Hubble Weltraumteleskop beobachtet, was eine Untersuchung wachsender BHs und Galaxien ermöglicht. Wir präsentieren neue Einschränkungen des Verhältnisses zwischen Schwarzlochmasse (M_BH) und totaler stellarer Masse (M_*) während der letzten 7 Milliarden Jahre für 32 Typ-1 AGN. Wir zeigen, dass das Verhältnis M_BH-M_* bei z~0.7 konsistent ist mit der lokalen Beziehung zwischen BH und der Masse in der stellaren Auswölbung. Damit diese Galaxien die lokale Relation befolgen wird nur eine Umverteilung von stellarer Masse aus der Scheibe in den Bulge benötigt, wahrscheinlich ausgelöst durch passive langfristige Prozesse. Desweiteren beantworten wir eine 30 Jahre alte Frage: Welche Rolle spielen Verschmelzungen von Galaxien vergleichbarer Größ e ("major merger") als Auslöser für die AGN-Aktivität? Dafür analysieren wir die Morphologie von 140 AGN bis z~1 in Bezug auf Anzeichen für kürzliche Verschmelzungen und vergleichen diese mit einer Kontrollstichprobe von über 1200 von Masse und Typ her ähnlicher inaktiver Galaxien. Der Anteil der verschmelzenden Galaxien beider Proben ist statistisch ununterscheidbar und liegt bei etwa 15%. Zusammen mit der Tatsache, dass die Mehrheit der AGN beinhaltenden Galaxien scheibendominiert sind, und daher als Relikte eines kürzlichen major merger nicht in Frage kommen, sind diese Ergebnisse heute der stärkste Beweis dafür, das mindestens seit z~1 langfristig ablaufende Prozesse und nicht major merger das Wachstum von Schwarzen Löchern bestimmte. Über die letzten sieben Milliarden Jahre entwickelten sich folglich Schwarze Löcher und Galaxien in einem säkularen Universum.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jahnke, Dr. Knud
Date of thesis defense: 15. November 2011
Date Deposited: 25. Nov 2011 14:13
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Galaxie, Aktiver galaktischer Kern, Schwarzes Loch
Uncontrolled Keywords: Galaxies , Black holes , Active Galactic Nuclei
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