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Models of Dust and Gas Tori in Active Galactic Nuclei

Schartmann, Marc

German Title: Modelle für Staub- und Gastori in Aktiven Galaktischen Kernen

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Abstract

The goal of this thesis is to gain theoretical understanding of the distribution of dust and gas in the innermost parsecs of Active Galactic Nuclei. Unified schemes demand a circum-nuclear disk or "torus" to geometrically unify two separate classes of observed objects (face-on and edge-on view onto the torus). In a multi-step approach, we work towards the establishment of realistic simulations of this massive and dense gas and dust reservoir, in order to be able to interpret near- and mid-infrared interferometric observations (MIDI, AMBER), which are able to resolve dust structures in the centres of Seyfert galaxies. In a first step, we investigate an analytical torus model (the so-called "Turbulent Torus Model") with the help of radiative transfer calculations and find gross agreement with large aperture, as well as high-resolution observations of Seyfert galaxies. However, the model SEDs show too pronounced silicate emission features in the face-on case. This can be overcome with the help of three-dimensional clumpy tori, calculated in a second step. Special emphasis is put on the differences of clumpy and continuous dust distributions, also concerning interferometric observations. In a further step, we apply hydrodynamic simulations to trace the evolution of a nuclear star cluster, which provides energy via discrete supernova explosions and mass from stellar mass loss. With these ingredients, a highly dynamical system forms, with gas streaming inward, in form of long filaments, which cool due to radiative energy losses. In the vicinity of the minimum of the effective potential (caused by gravity of the nuclear stellar cluster and black hole, as well as rotation of the gas), a turbulent disk forms, surrounded by a less dense clumpy and filamentary toroidal structure. Subsequent radiative transfer calculations yield good agreement with Seyfert galaxy spectral energy distributions (observed with the Spitzer space telescope). Problems of the comparison of continuous models with the silicate feature strength to H I column density relation can be overcome with the help of our new approach.

Translation of abstract (German)

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die realistische Modellierung der Verteilung von Gas und Staub in den Zentralbereichen Aktiver Galaktischer Kerne. Vereinheitlichende Schemata benötigen einen Staubtorus, um zwei Beobachtungsklassen geometrisch in einem Modell zu vereinigen (Blick entlang und senkrecht zur Torusachse). Realistische Torusmodelle sind notwendig, um interferometrische Beobachtungen naher Seyfertgalaxien im nahen und mittleren Infrarotbereich (MIDI, AMBER) beschreiben zu können. In einem ersten Schritt untersuchen wir ein analytisches Torusmodell, das sogenannte "Turbulente Torus Modell", durch Anwendung von Strahlungstransportsimulationen. Es zeigt sich gute Übereinstimmung sowohl mit der Gesamtemission von Seyfertgalaxien, als auch räumlich hochaufgelöster Beobachtungen im Nahinfrarotbereich. Probleme ergeben sich jedoch durch zu ausgeprägte Silikatemission bei Beobachtung entlang der Torusachse. Überwunden werden diese Diskrepanzen durch Modellierung drei-dimensionaler klumpiger Staubtori in einem zweiten Schritt. Dabei legen wir besonderen Wert auf die Unterschiede zwischen klumpigen und homogenen Modellen und deren Signaturen in interferometrischen Beobachtungen. In einem letzten Schritt folgen wir der zeitlichen Entwicklung eines nuklearen Sternhaufens im Rahmen von Hydrodynamiksimulationen. Durch dessen Massen- und Energieeintrag in das umgebende Medium und Gaskühlung entsteht auf natürliche Weise ein filamentartiger, klumpiger Gasstrom, der zum Minimum des effektiven Potenzials hin gerichtet ist. Dieses wird gebildet aus dem Gravitationspotenzial des Schwarzen Loches, des Sternhaufens selbst und der Rotation des Gases. Dort bildet sich eine massive, turbulente Scheibe aus. Anschließende Strahlungstransportsimulationen spiegeln spektrale Energieverteilungen von Seyfertgalaxien (Spitzer) gut wieder. Probleme, die unsere kontinuierlichen Torusmodelle mit der Beschreibung der beobachteten Relation zwischen der Stärke der Silikatcharakteristik und der H I Säulendichte haben, können mittels dieser neuartigen Modellierung ausgeräumt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Meisenheimer, Prof. Dr. Klaus
Date of thesis defense: 7 February 2007
Date Deposited: 21 Mar 2007 10:23
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Aktiver galaktischer Kern, Seyfert-Galaxie, Hydrodynamik, Strahlungstransport, Interstellarer Staub, Interstellares Gas, Torus, Schwarzes Loch
Uncontrolled Keywords: Planetarischer NebelActive Galactic Nucleus , Torus , Hydrodynamics , Radiative Transfer , Interstellar Medium
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