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The interplay between supermassive black holes and their host galaxies

Das Zusammenspiel zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern und ihren Muttergalaxien

  • Supermassive black holes reside in the hearts of almost all massive galaxies. Their evolutionary path seems to be strongly linked to the evolution of their host galaxies, as implied by several empirical relations between the black hole mass (M BH ) and different host galaxy properties. The physical driver of this co-evolution is, however, still not understood. More mass measurements over homogeneous samples and a detailed understanding of systematic uncertainties are required to fathom the origin of the scaling relations. In this thesis, I present the mass estimations of supermassive black holes in the nuclei of one late-type and thirteen early-type galaxies. Our SMASHING sample extends from the intermediate to the massive galaxy mass regime and was selected to fill in gaps in number of galaxies along the scaling relations. All galaxies were observed at high spatial resolution, making use of the adaptive-optics mode of integral field unit (IFU) instruments on state-of-the-art telescopes (SINFONI, NIFS, MUSE). I extracted theSupermassive black holes reside in the hearts of almost all massive galaxies. Their evolutionary path seems to be strongly linked to the evolution of their host galaxies, as implied by several empirical relations between the black hole mass (M BH ) and different host galaxy properties. The physical driver of this co-evolution is, however, still not understood. More mass measurements over homogeneous samples and a detailed understanding of systematic uncertainties are required to fathom the origin of the scaling relations. In this thesis, I present the mass estimations of supermassive black holes in the nuclei of one late-type and thirteen early-type galaxies. Our SMASHING sample extends from the intermediate to the massive galaxy mass regime and was selected to fill in gaps in number of galaxies along the scaling relations. All galaxies were observed at high spatial resolution, making use of the adaptive-optics mode of integral field unit (IFU) instruments on state-of-the-art telescopes (SINFONI, NIFS, MUSE). I extracted the stellar kinematics from these observations and constructed dynamical Jeans and Schwarzschild models to estimate the mass of the central black holes robustly. My new mass estimates increase the number of early-type galaxies with measured black hole masses by 15%. The seven measured galaxies with nuclear light deficits (’cores’) augment the sample of cored galaxies with measured black holes by 40%. Next to determining massive black hole masses, evaluating the accuracy of black hole masses is crucial for understanding the intrinsic scatter of the black hole- host galaxy scaling relations. I tested various sources of systematic uncertainty on my derived mass estimates. The M BH estimate of the single late-type galaxy of the sample yielded an upper limit, which I could constrain very robustly. I tested the effects of dust, mass-to-light ratio (M/L) variation, and dark matter on my measured M BH . Based on these tests, the typically assumed constant M/L ratio can be an adequate assumption to account for the small amounts of dark matter in the center of that galaxy. I also tested the effect of a variable M/L variation on the M BH measurement on a second galaxy. By considering stellar M/L variations in the dynamical modeling, the measured M BH decreased by 30%. In the future, this test should be performed on additional galaxies to learn how an as constant assumed M/L flaws the estimated black hole masses. Based on our upper limit mass measurement, I confirm previous suggestions that resolving the predicted BH sphere-of-influence is not a strict condition to measure black hole masses. Instead, it is only a rough guide for the detection of the black hole if high-quality, and high signal-to-noise IFU data are used for the measurement. About half of our sample consists of massive early-type galaxies which show nuclear surface brightness cores and signs of triaxiality. While these types of galaxies are typically modeled with axisymmetric modeling methods, the effects on M BH are not well studied yet. The massive galaxies of our presented galaxy sample are well suited to test the effect of different stellar dynamical models on the measured black hole mass in evidently triaxial galaxies. I have compared spherical Jeans and axisymmetric Schwarzschild models and will add triaxial Schwarzschild models to this comparison in the future. The constructed Jeans and Schwarzschild models mostly disagree with each other and cannot reproduce many of the triaxial features of the galaxies (e.g., nuclear sub-components, prolate rotation). The consequence of the axisymmetric-triaxial assumption on the accuracy of M BH and its impact on the black hole - host galaxy relation needs to be carefully examined in the future. In the sample of galaxies with published M BH , we find measurements based on different dynamical tracers, requiring different observations, assumptions, and methods. Crucially, different tracers do not always give consistent results. I have used two independent tracers (cold molecular gas and stars) to estimate M BH in a regular galaxy of our sample. While the two estimates are consistent within their errors, the stellar-based measurement is twice as high as the gas-based. Similar trends have also been found in the literature. Therefore, a rigorous test of the systematics associated with the different modeling methods is required in the future. I caution to take the effects of different tracers (and methods) into account when discussing the scaling relations. I conclude this thesis by comparing my galaxy sample with the compilation of galaxies with measured black holes from the literature, also adding six SMASHING galaxies, which were published outside of this thesis. None of the SMASHING galaxies deviates significantly from the literature measurements. Their inclusion to the published early-type galaxies causes a change towards a shallower slope for the M BH - effective velocity dispersion relation, which is mainly driven by the massive galaxies of our sample. More unbiased and homogenous measurements are needed in the future to determine the shape of the relation and understand its physical origin.show moreshow less
  • Supermassereiche schwarze Löcher befinden sich in den Herzen von fast allen massiven Galaxien. Ihr evolutionärer Werdegang scheint stark mit dem Wachstum ihrer Muttergalaxien in Verbindung zu stehen, wie mehrere empirische Beziehungen zwischen der Masse der schwarzen Löcher (M BH ) und verschiedenen Eigenschaften der Muttergalaxien andeuten. Der physikalische Ursprung dieser Koevolution ist jedoch immer noch nicht verstanden. Weitere Massenmessungen über homogene Galaxienproben und ein detailliertes Verständnis der systematischen Unsicherheiten sind erforderlich, um den Ursprung dieser Skalierungsbeziehungen zu ergründen. In dieser Arbeit präsentiere ich die Massenabschätzungen von Supermassereichen Schwarzen Löchern der Zentren einer Spiral- und dreizehn elliptischer und linsenförmiger Galaxien. Meine SMASHING-Probe erstreckt sich vom mittleren bis zum hohen Galaxienmassenbereich und wurde ausgewählt, um Lücken entlang der Skalierungsbeziehungen zu schließen. Alle Galaxien wurden mit hoher räumlicher Auflösung beobachtet, wobeiSupermassereiche schwarze Löcher befinden sich in den Herzen von fast allen massiven Galaxien. Ihr evolutionärer Werdegang scheint stark mit dem Wachstum ihrer Muttergalaxien in Verbindung zu stehen, wie mehrere empirische Beziehungen zwischen der Masse der schwarzen Löcher (M BH ) und verschiedenen Eigenschaften der Muttergalaxien andeuten. Der physikalische Ursprung dieser Koevolution ist jedoch immer noch nicht verstanden. Weitere Massenmessungen über homogene Galaxienproben und ein detailliertes Verständnis der systematischen Unsicherheiten sind erforderlich, um den Ursprung dieser Skalierungsbeziehungen zu ergründen. In dieser Arbeit präsentiere ich die Massenabschätzungen von Supermassereichen Schwarzen Löchern der Zentren einer Spiral- und dreizehn elliptischer und linsenförmiger Galaxien. Meine SMASHING-Probe erstreckt sich vom mittleren bis zum hohen Galaxienmassenbereich und wurde ausgewählt, um Lücken entlang der Skalierungsbeziehungen zu schließen. Alle Galaxien wurden mit hoher räumlicher Auflösung beobachtet, wobei der adaptivoptische Modus von Integralfeldspektrographen (IFU) modernster Teleskope (SINFONI, NIFS, MUSE) verwendet wurde. Aus diesen Beobachtungen habe ich die Sternenkinematik extrahiert und dynamische Jeans- und Schwarzschildmodelle konstruiert, um die Masse der zentralen Schwarzen Löcher robust zu bestimmen. Meine neuen Massenschätzungen erhöhen die Anzahl elliptischer Galaxien mit vermessenen Schwarzen Löchern um 15%. Die sieben vermessenen Galaxien mit inneren Lichtdefiziten ("Cores") ergänzen die Probe der Core-Galaxien mit gemessenen schwarzen Löchern um 40%. Neben der Bestimmung ist die Beurteilung der Genauigkeit von Schwarzlochmassen entscheidend für das Verständnis der intrinsischen Streuung der Beziehungen zwischen schwarzem Loch und Muttergalaxie. Ich habe meine abgeleiteten Massenabschätzungen auf verschiedene systematische Fehlerquellen getestet. Dabei habe ich Bezug genommen auf die Auswirkungen von Staub, Variation des Masse-Licht-Verhältnisses (M/L), Dunkler Materie, verschiedener dynamischer Modelle und verschiedener dynamischer Tracer. Die Ergebnisse präsentiere ich in dieser Arbeit. Ich schließe diese Arbeit, indem ich meine Galaxienprobe mit der den in der Forschungsliteratur zusammengestellten Galaxien mit bereits vermessenen Schwarzen Löchern vergleiche und auch sechs SMASHING-Galaxien hinzufüge, die außerhalb dieser Arbeit veröffentlicht wurden. Keine der SMASHING-Galaxien weicht signifikant von den veröffentlichten Messungen ab. Eine gemeinsame Analyse meiner Messungen und der veröffentlichten elliptischen Galaxien ergibt eine Abflachung der Steigung für die M BH - effektive Geschwindigkeitsdispersionsbeziehung, die hauptsächlich von den massiven Galaxien meiner Probe bewirkt wird. In Zukunft sind unvoreingenommene und homogenere Messungen erforderlich, um die Form der Skalierungsbeziehung zu bestimmen und ihren physikalischen Ursprung zu verstehen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sabine ThaterORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437570
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-43757
Referee:Lutz WisotzkiGND, Philipp RichterGND, Karl Gebhardt
Advisor:Davor Krajnović, Lutz Wisotzki
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2019/11/11
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/10/07
Release Date:2019/11/11
Tag:Galaxiendynamik; Galaxienentwicklung; Integralfieldspektroskopie; stellare Kinematik; supermassereiche Schwarze Löcher
galaxy dynamics; galaxy evolution; integral field spectroscopy; stellar kinematics; supermassive black holes
Pagenumber:iv, 186
RVK - Regensburg Classification:US 3100
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
MSC Classification:85-XX ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS (For celestial mechanics, see 70F15)
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
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