Kolloquium Pfalzner

Next SFB 1601 colloquium

The next SFB-colloquium will be on October 22 at 2 pm in lecture hall III of the physics institutes in Cologne. Susanne Pfalzner from the Forschungszentrum Jülich will talk about A perfect encounter: The flyby that possible shaped the outer solar system. See also: https://sfb1601.astro.uni-koeln.de/events/sfb1601-colloquium/

The CRC1601 devotes the afternoon of October 17 to sustainability!

Did you know that the University of Cologne has its own Sustainability Office? We have invited them to present their daily work and challenges to make our university more sustainable. Do you have an idea on how to improve our university? Then join us and take this opportunity to talk to them directly!

We are happy to organize fruitful discussions where you can bring your ideas how to change our work and research to make the CRC more sustainable.

We will also have a number of workshops, and we will finish with a barbecue and a quiz.
We will offer drinks and a vegetarian barbecue to all participants. You are welcome to bring your own meat/other food if you wish.

As we need to plan which room to use for which workshop and we need to buy the material for the insect hotel building we ask everyone to register for their preferred workshop.
Please indicate there as well whether you join for the barbecue and for the drinking so that we can buy the appropriate amounts.
https://sfb1601.astro.uni-koeln.de/sustainability/sustainability-bbq/

Lange Nacht der Astronomie

Abends im Universum – Auf den Spuren der Sterne

Gehen Sie mit uns auf die Spuren der Sterne. 

Neben Vorträgen zu aktuellen Forschungsthemen und Vorführungen von Experimenten kann mit Hilfe von VR-Brillen das Universum hautnah erlebt und das CCAT-Teleskop besucht werden.

Drucken Sie sich Ihre eigenen kleinen Versionen von Teleskopen (JWST, Hubble Space Telescope, CCAT) mit Hilfe von einem 3D Drucker.

Für Kinder wird der Bau von Luftraketen angeboten. Sie können ihre Raketen nach Ihren eigenen Vorstellungen und Wünschen gestalten und überlegen, wie sie ergonomisch am besten fliegen können. Als Highlight werden die Raketen zusammen fliegen gelassen.

Demonstrationsexperimente zur Laborastrophysik werden den ganzen Abend über aufgebaut sein. Mithilfe von diversen Teleskopen lassen sich Sonne, Mond und Sterne beobachten.

Wie funktioniert das ALMA Teleskop? Das ALMA Teleskop in der Atacama Wüste wird mit Hilfe von Legosteinen nachgebaut werden.

https://sfb1601.astro.uni-koeln.de/events/public-outreach/lange-nacht-der-astronomie/

Das Universum im Computer – Tim-Eric Rathjen

11.10.2024 20:00 – 21:30
Walter-Hohmann-Sternwarte 
https://www.vhs-essen.de/kurse/mensch-gesundheit-natur-und-umwelt/kurs/WHS-Das-Universum-im-Computer/242.3E170B

Was braucht es, um Planeten, Sterne, Galaxien und das ganze Universum in einem Supercomputer zu erschaffen? Was ist das tägliche Brot eines theoretischen Astrophysikers, und warum brauchen wir so astronomisch große Computer? Diesen und weiteren Fragen geht Dr. Tim-Eric Rathjen von der Universität zu Köln auf den Grund!

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Atemholen im Universum

Rundwanderung zum Observatorium Hoher List, Schalkenmeeren zur langen Nacht der Astronomie am 19.10.2024 – Volker Ossenkopf-Okada

Wo kann man im Universum wandern? Auf der Erde wollen wir das tun und uns auf dem Weg zum Observatorium “Hoher List” fragen, wo wir denn noch frische Luft genießen könnten. Es gibt tausende Exoplaneten, aber könnten wir dort atmen? Die geologische Entwicklung unserer Erde hilft, diese Frage zu beantworten. Die Kombination aus Wanderung und astronomischem Beobachtungsabend erlaubt die Entstehung der Erde und die Entwicklung ihrer vulkanischen Aktivität im Kontext der Planetenentstehung und damit die besondere Stellung der Erde im Universum zu verstehen.

Die Veranstaltung besteht aus zwei separaten Teilen, die getrennt besucht werden können, sich aber gegenseitig ergänzen. Die Wanderung startet 16:30Uhr und folgt der Frage, was wir aus den Eifelmaaren über die Entwicklung anderer Planeten im Universum lernen können. Wenn wir 19:00Uhr am Observatorium “Hoher List” ankommen, schließt sich ein Abend mit vier Beobachtungsmöglichkeiten an verschiedenen Teleskopen, Vorträgen zu den Besonderheiten des Abends, d.h. dem Kometen C/2023 A3, dem Saturn und dem Mond bei den Plejaden und Besichtigungen der historische Instrumentensammmlung und des Lernraumes “Erläuterung der Himmelsmechanik” an.

Treffpunkt für die astronomische Wanderung: 16:30, Parkplatz an der L64 zwischen Schalkenmeeren und Brockscheid 

Beginn des Beobachtungabends: 19:00, Astronomische Vereinigung Vulkaneifel am Hohen List

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A3: An intermediate mass black hole in the center of our galaxy (Florian Peißker)

To date, the growth mechanism of supermassive black holes (SMBHs) is a scientific mystery. If we consider the accretion rate of the SMBH in our Milky Way, Sagittarius A* (Sgr A*), and the age of the universe, a discrepancy of several magnitudes in its mass opens up. One proposed idea to overcome the mismatch of accretion rate and age of the universe is merging events between intermediate-mass black holes (IMBHs) that ultimately form SMBHs. However, only around 10 IMBHs in our entire universe have been confirmed by observations, which poses a significant challenge to the theory of merging black holes. In Peißker et al. (2023c) and Peißker et al. (2024b), we have analyzed the densest stellar cluster, IRS 13, in our Milky Way, only about 0.3 lightyears away from Sgr A*. This massive embedded cluster shows two distinct generations of stars, implying independent and plausible triggered, star formation events. Until recently, it was unclear how and why this cluster so close to an SMBH seems to preserve its shape. As we show in both related publications, the cluster comprises three distinctive components. One of the components is associated with the dense core of the cluster, whereas the other one shows signs of evaporation. We argue that IRS 13 is the remanent of a more massive cluster that plunges into the gravitational well of our central SMBH. One key aspect of this analysis is the young age of the two stellar populations. From the young age and plausible star formation channels, we derive an unusually short cluster migration timescale. One explanation for the rapid infall of the cluster could be the presence of an IMBH inside the cluster. In Peißker et al. (2024b), we confirm that the presence of an IMBH is highly likely. Due to the evaporation nature of the cluster, it is expected that we identified one of the first pre-merger setups between an SMBH and IMBH to date.

Eine Reise in die Dunkelheit – Andrina Nicola

Das Universum besteht zu 95 Prozent aus zwei mysteriösen, unsichtbaren Komponenten, der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Eines der Hauptziele der Kosmologie ist es, diesen Bestandteilen auf die Spur zu kommen und ihre Eigenschaften einzugrenzen. In diesem Vortrag werde ich die zugrundeliegenden Methoden erläutern und einen Überblick über die Durchmusterungen geben, die uns einen neuen Blick und neue Erkenntnisse über unser Universum geben werden.

A public talk during the Meeting of the Astronomical Society 2024

Andrina Nicola
Universität Bonn, Argelander Institut für Astronomie

Thursday, 12 September 2024, 20:00, Aula, University of Cologne

Science Highlight B3 Sep24

B3: PHANGS-JWST: Molecular cloud identification using 7.7μm MIRI data (Z. Bazzi, D. Colombo, F. Bigiel)

Stars form within molecular clouds, dense regions of cold gas primarily composed of molecular hydrogen. These clouds provide the necessary conditions for the formation of stars, including low temperatures and high densities, which allow gravitational forces to overcome thermal pressure and initiate the collapse of gas. To fully understand the process of star formation and therefore the evolution of galaxies, it is crucial to study the properties of molecular clouds—such as their mass, density, distribution, and relation to the galactic environment.

The Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS (PHANGS) collaboration aims to create a comprehensive view of star formation and the lifecycle of gas and dust in nearby galaxies, using state-of-the-art facilities. In particular, by leveraging the James Webb Space Telescope (JWST)’s infrared capabilities, the PHANGS-JWST program has provided astonishing views of 19 galaxies in wavelengths that are typically obscured by dust in the optical range, reaching unprecedented resolutions and sensitivities.

We used observations of the emission from Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs, e.g. complex organic molecules that emit strongly in the mid-infrared and are associated with photodissociation regions) from PHANGS-JWST to generate molecular gas maps of the 19 galaxies.

The application of the Spectral Clustering for Molecular Emission Segmentation (SCIMES) on the JWST data allowed the identification of more than 50,000 highly-resolved molecular clouds. SCIMES is a machine learning-based code that utilises graph theory concepts to segment out molecular clouds from the more diffuse medium by preserving their intrinsic morphology and internal structure.

Our preliminary results suggest that the molecular cloud mass spectra—specifically their steepness and truncation mass—are strongly influenced by the surrounding dynamical environment. This indicates that certain physical conditions may be more favourable to the formation of high-mass clouds than others.

Figure caption: Upper row: Left image shows the galaxy’s intensity map; right image displays dust structures identified by SCIMES with a greyscale intensity background and a colour bar indicating 7.7 μm intensity. Bottom row: Cumulative mass distributions of molecular clouds in different environments. Dotted black lines represent simple power-law fits; solid black curves are truncated power-law fits. Fit parameters—γ (spectral index), M0 (maximum mass), N0 (count in the distribution). The grey region represents the Poisson errors on the counts.

C6: Constraining warm dark matter with intensity mapping of the [CII] fine-structure line (Elena Marcuzzo)

Line Intensity Mapping (LIM) is an emerging technique in radio-astronomy that scans vast fractions of the sky with a large beam and detects the integrated emission of all sources along the line of sight without resolving individual objects. This approach enables probing the high-redshift Universe including the contribution from intrinsically faint sources that traditional surveys miss due to their flux-limit thresholds. These peculiarities make LIM an ideal tool to probe the nature of dark matter (DM).

Most particle-physics candidates for DM fall into the class of thermal relics (i.e. particles that were once in thermal equilibrium with the rest of the Universe). In this case, the velocity dispersion of the particles at early times turns out to be inversely proportional to their mass. This implies that less massive particles can freely stream out of shallow potential wells and, de facto, inhibit the formation of low-mass structures. Therefore, cold DM (CDM, with negligible velocity dispersion) and warm DM (WDM, with a free-streaming length of the order of 0.1 Mpc) give rise to a different mass spectrum of DM halos within which galaxy formation takes place.

Using the halo-model approach, we make forecasts for the constraints that LIM of the 150 μm fine-structure transition of [Cii] can set on the mass of the DM particles. Ionised carbon is a promising tracer that should be present also in low-mass halos, contrary to neutral hydrogen that cannot be shielded from the UV background after cosmic reionisation. We compress the data into the isotropic power spectrum and use Bayesian inference marginalising over the uncertain faint-end slope of the [Cii] luminosity function (LF). 

Our results are shown in the figure as a function of the survey area and for two different measurements of the bright-end of the [Cii] LF (optimistic/pessimistic). Assuming a CDM scenario, we find that LIM can rule out WDM particle masses up to 2–3 keV, which makes this technique competitive with other probes, such as the Ly-α forest. Our study demonstrates that, taking into account the current limits on the LF, the [Cii] power spectrum is dominated by sources hosted in relatively massive halos and this diminishes its constraining power on the WDM mass. 

Paper: Marcuzzo et al. (2024) 

Weiteres mittelschweres Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie gefunden – Florian Peißker

18.07.2024

Bisher sind im ganzen Universum nur rund zehn mittelschwere Schwarze Löcher entdeckt worden / Das nun identifizierte Schwarze Loch führt dazu, dass sich umliegende Sterne unerwartet geordnet innerhalb eines Sternhaufens bewegen

Ein internationales Team von Forscher*innen unter Leitung von PD Dr. Florian Peißker hat einen Sternenhaufen in direkter Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs SgrA* (Sagittarius A Stern) im Zentrum unserer Galaxie untersucht und Anzeichen für ein weiteres, mittelschweres Schwarzes Loch gefunden. In unserem ganzen Universum sind trotz enormer Anstrengungen der Forschung bisher nur ungefähr zehn dieser mittelschweren Schwarzen Löcher gefunden worden. Wissenschaftler*innen nehmen an, dass sie sich schon kurz nach dem Urknall gebildet haben und durch Verschmelzung als „Samen“ für supermassive Schwarze Löcher fungieren. Die Studie wurde unter dem Titel „The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. II. Kinematic structure“ im Fachjournal The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Der untersuchte Sternenhaufen namens IRS 13 liegt in einer Entfernung von 0,1 Lichtjahren vom Zentrum unserer Galaxie. Für astronomische Verhältnisse ist dies sehr nah, allerdings müsste man unser Sonnensystem dennoch zwanzig Mal von einem Ende zum anderen bereisen, um diese Strecke zurückzulegen. Den Forscher*innen ist aufgefallen, dass die Sterne, die in IRS 13 enthalten sind, sich unerwartet geordnet bewegen. Eigentlich hätten die Forscher*innen eine zufällige Anordnung der Sterne erwartet. Die geordnete Bewegung lässt zwei Schlüsse zu: Zum einen scheint IRS 13 mit SgrA* zu interagieren, was zu der geordneten Bewegung der Sterne führt. Zum anderen muss es etwas innerhalb des Sternenhaufens geben, damit dieser seine beobachtete kompakte Form behalten kann.

Multiwellenlängenbeobachtungen mit dem Very Large Telescope sowie den Teleskopen ALMA und Chandra deuten nun darauf hin, dass der Grund für die kompakte Form von IRS 13 ein mittelschweres Schwarzes Loch sein könnte, welches sich im Zentrum des Sternenhaufens befindet. Dafür würde sprechen, dass die Forscher*innen charakteristische Röntgenstrahlung sowie ionisiertes Gas beobachten konnten, das mit einer Geschwindigkeit von mehreren 100 km/s in Form eines Rings um die vermutete Position des mittelschweren Schwarzen Lochs rotiert.

Ein weiteres Indiz für die Anwesenheit eines mittelschweren Schwarzen Lochs ist die ungewöhnlich hohe Dichte des Sternenhaufens, die höher ist als jede andere bekannte Dichte eines Sternenhaufens in unserer Milchstraße. „Es scheint sich bei IRS 13 möglicherweise um einen essentiellen Baustein für das Wachstum unseres zentralen Schwarzen Lochs SgrA* zu handeln“, so Florian Peißker, Erstautor der Studie. „Dieser faszinierende Sternenhaufen überrascht die wissenschaftliche Community immer wieder, seitdem er vor rund zwanzig Jahren entdeckt wurde. Zunächst dachte man, dass es sich um einen ungewöhnlich schweren Stern handelt. Mit den hochaufgelösten Daten können wir nun aber die bausteinartige Zusammensetzung mit einen mittelschweren Schwarzen Loch im Zentrum belegen.“ Geplante Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop sowie dem sich im Bau befindenden Extremely Large Telescope werden weitere Einblicke in die Vorgänge innerhalb des Sternenhaufens liefern.
 

Inhaltlicher Kontakt:
Dr. Florian Peißker
Institut für Astrophysik
+49 221 470 7791
peisskerph1.uni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Jan Voelkel
+49 221 470 2356
j.voelkelverw.uni-koeln.de

Zum Video:
https://youtu.be/CYfUNQYk4sU

Zur Publikation:
https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad4098

C5: HYACINTH – A New Model for Molecular Hydrogen and Carbon Chemistry in Cosmological Simulations (Prachi Khatri)

Modelling the molecular gas content of galaxies is a highly non-linear, multi-scale problem in astrophysics. On one hand, it is necessary to simulate galaxies in realistic environments as they are affected by outflows and gas accretion from the cosmic web. On the other hand, molecular-cloud chemistry is regulated by conditions on sub-parsec scales.

To overcome this challenge, we have developed a new sub-grid model, HYACINTH – HYdrogen And Carbon chemistry in the INTerstellar medium in Hydro simulations – that can be embedded into cosmological simulations of galaxy formation to calculate the non-equilibrium abundances of molecular hydrogen and its carbon-based tracers, namely, CO, C, and C+ on the fly. Our model captures the effects of the ‘microscopic’ (i.e., unresolved) density structure on the ‘macroscopic’ (i.e., resolved) chemical abundances in cosmological simulations using a variable probability distribution function of sub-grid densities within each resolution element. 

The chemical abundances from HYACINTH are in good agreement with observations of nearby and high-redshift galaxies. We are now running a suite of cosmological galaxy formation simulations with HYACINTH that will allow us to address fundamental questions regarding the contribution of different galaxies to the global H2 budget and the reliability of different molecular gas tracers across ISM conditions and galaxy environments at high redshifts (z ≳ 3).

The paper describing the model has been accepted for publication in A&A. 
DOI: 10.1051/0004-6361/202449640

Figure caption: Column density maps of different species in a pre-simulated galaxy (from Tomassetti et al. 2015) post-processed with HYACINTH. The first two panels show the distribution of total and molecular hydrogen from the simulation, while the other panels show the species obtained in post-processing. CO is concentrated in regions with the highest N(H2), while C and C+ are more widespread; C+ even extends out to regions lacking a significant amount of H2and closely mirrors the total gas distribution.

Next Astronomy on Tap event in Cologne

Join us at our season finale of SoSe 2024! Program below. 

  • Eine kurze Geschichte der Schwarzen Löcher: von Einstein bis in die Gegenwart” (auf Deutsch) by Daniel Vieira

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt die Existenz von Singularitäten in der Raumzeit voraus. Diese Singularitäten sind keine mathematische Kuriositäten sondern die beschreiben echte Objekte in der Universum: schwarze Löcher!

  • How many eyes does it take to see dusty young protostars?” (in English) by Dr. Bethany Jones

What goes on in the birthplaces of the most massive stars? The creation of young stars much more massive than the sun can be seen with ALMA, a telescope in the Atacama Desert in Chile made of 66 smaller telescopes that see different light to human eyes, which tells us enough about their chemistry to work out where they come from – important, as they provide almost all of the UV radiation in a galaxy!

More information about Astronomy on Tap can be found here: https://sfb1601.astro.uni-koeln.de/events/aot-2/

Science Communication Seminar

Our science is often not visible to the public because we don’t know how to present in properly. 
With the help of the UoC press department we are aiming to change that. 

A first seminar about science communication will be on Monday, June 24 at 3 pm (regular colloquium time). All PH1 or SFB1601-members are invited to join, there is no registration necessary.

Superschnelle Babysterne flitzen wie ein Bienenschwarm um Schwarzes Loch

14.06.2024

Die jungen Sterne umrunden das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie mit mehreren 1000 km/s / Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics

Astronomische Beobachtungen zeigen, dass sich neu entdeckte Babysterne in der Umgebung von Sagittarius A*, dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie, anders verhalten als erwartet: Sie beschreiben ähnliche Bahnen wie bereits bekannte Hochgeschwindigkeitssterne und ordnen sich in einem bestimmten Muster um das Schwarze Loch an. Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass Sgr A* die Sterne zu bestimmten Anordnungen veranlasst. Die Studie wurde unter dem Titel „Young Stellar Objects in the S-cluster: The Kinematic Analysis of a Sub-population of the Low-mass G-objects close to Sgr A*“ in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht. Beteiligt waren Forscher*innen der Universität zu Köln, der Masaryk-Universität in Brünn (Tschechien), der Karls-Universität in Prag (Tschechien), der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik und des Max-Plack-Instituts für Radioastronomie in Bonn.

Vor rund dreißig Jahren wurden in der direkten Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs Sgr A* im Zentrum der Milchstraße Hochgeschwindigkeitssterne entdeckt. Diese Sterne, auch S-Sterne genannt, umrunden das Schwarze Loch mit Geschwindigkeiten von mehreren 1000 km/s in wenigen Jahren. Die Sterne sind überraschend jung und ihre Anwesenheit rätselhaft, denn nach gängigen Theorien würde man nur alte und leuchtschwache Sterne in der unmittelbaren Umgebung eines Schwarzen Lochs erwarten.

Die technologischen Fortschritte der letzten Jahrzehnte und die lange Beobachtungszeit des galaktischen Zentrums durch moderne Teleskope werfen aktuell noch weitere Fragen auf. So wurde zum Bespiel im Jahr 2012 ein Objekt entdeckt, bei dem Wissenschaftler*innen von einer Gaswolke ausgingen, die vom Schwarzen Loch „aufgesaugt“ wird. Zwar hat sich die These nicht bestätigt, es war aber lange Zeit nicht klar, um was es sich genau bei diesem Objekt handeln könnte. Erst in den letzten Jahren verdichten sich die Anzeichen, dass es ein sehr junger Babystern sein könnte, umgeben von einer staubigen Wolke.

Inklusive dieses Babysterns untersuchten die Wissenschaftler*innen für die aktuelle Studie ein Dutzend Objekte in der direkten Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs, die alle sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen. Sie fanden heraus, dass die Objekte nochmals deutlich jünger sind als die bereits bekannten Hochgeschwindigkeitssterne. „Interessanterweise verhalten sich diese jungen ‚Babysterne‘ aber so wie die S-Sterne. Das bedeutet, auch die Babysterne umrunden das Schwarze Loch mit mehreren 1000 km/s in wenigen Jahren“, so Dr. Florian Peißker vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln und Erstautor der Studie. „Bereits die S-Sterne sind überraschend jung. Nach gängigen Theorien ist die Anwesenheit eines stellaren Kindergartens mit den noch jüngeren ‚Babysternen‘ völlig unerwartet,“ fügt Dr. Peißker hinzu.

Es zeigte sich weiterhin, dass dieser Sternenhaufen, bestehend aus den Babysternen und den S-Sternen, auf den ersten Blick wie ein chaotischer Bienenschwarm aussieht. Wie ein Schwarm weist aber auch der Sternenhaufen Muster und Regelmäßigkeiten auf. So konnten die Forscher*innen zeigen, dass sich die Babysterne wie die S-Sterne auf bestimmte und geordnete Weise im dreidimensionalen Raum anordnen. „Das bedeutet, es gibt gewisse präferierte Orientierungen der Sterne. Die Verteilung beider Sternvarianten gleicht dabei einer Scheibe, was den Eindruck nahelegt, dass das Schwarze Loch Sterne dazu zwingt, sich in geordneten Bahnen anzusiedeln“, so Peißker.
 

Inhaltlicher Kontakt:
Dr. Florian Peißker
Institut für Astrophysik
+49 221 470 7791

peisskerph1.uni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Jan Voelkel
+49 221 470 2356
j.voelkelverw.uni-koeln.de

Zur Publikation:
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49729-24/aa49729-24.html

An unexpected observed orbital pattern of candidate Young Stellar Objects close to the supermassive black hole

High-speed baby stars circle the supermassive black hole Sgr A* like a swarm of bees.

Publication Highlight from Florian Peißker
A&A news: https://www.aanda.org/2024-press-releases
UoC-article: https://portal.uni-koeln.de

The Near- and Mid-infrared observation of dusty sources in the S cluster, which harbors the supermassive black hole in the center of our galaxy, Sgr A*, is accompanied by a discussion about their nature. The current study, published today in A&A, aims to explore the Keplerian parameters of these dusty S cluster members orbiting Sgr A* and analyze their orbital distribution. The results indicate a clear disk-like pattern following the arrangements of the main-sequence cluster members, suggesting a common formation process for the young dusty sources. Based on the multi-wavelength photometric analysis, the study found strong indications that suggest that the dusty sources have a stellar nature consistent with the spectral energy distribution of Young Stellar Objects. The nature of the dusty sources and their organized arrangement around Sgr A* are unexpected and shed light on unexplored star formation processes in the high energetic radiation environment of the supermassive black hole.

Published in A&A (2024)

Context: The observation of several L-band emission sources in the S cluster has led to a rich discussion of their nature. However, a definitive answer to the classification of the dusty objects requires an explanation for the detection of compact Doppler-shifted Brγ emission. The ionized hydrogen in combination with the observation of mid-infrared L-band continuum emission suggests that most of these sources are embedded in a dusty envelope. These embedded sources are part of the S-cluster, and their relationship to the S-stars is still under debate. Until now, the question of the origin of these two populations is vague, although all explanations favor migration processes for the individual cluster members.
Aims: This work revisits the S-cluster and its dusty members orbiting the supermassive black hole Sgr A* on bound Keplerian orbits from a kinematic perspective. The aim is to explore the Keplerian parameters for patterns that might imply a non-random distribution of the sample. Additionally, various analytical aspects are considered to address the nature of the dusty sources.
Methods: Based on the photometric analysis, we estimated the individual H − K and K − L colors for the source sample and compared the results to known cluster members. The classification revealed a noticeable contrast between the S-stars and the dusty sources. To fit the flux-density distribution, we utilized the radiative transfer code HYPERION and implemented a Young Stellar Object Class I model. We obtained the position angle from the Keplerian fit results, and additionally, we analyzed the distribution of the inclinations and the longitudes of the ascending node.
Results: The colors of the dusty sources suggest a stellar nature consistent with the spectral energy distribution in the near and mid-infrared domains. Furthermore, the evaporation timescales of dusty and gaseous clumps in the vicinity of Sgr A* are much shorter (≪ 2 years) than the epochs covered by the observations (≈15 years). In addition to the strong evidence for the stellar classification of the D-sources, we also find a clear disk-like pattern following the arrangements of S-stars proposed in the literature. Furthermore, we find a global intrinsic inclination for all dusty sources of 60 ± 20◦, implying a common formation process.
Conclusions: The pattern of the dusty sources manifested in the distribution of the position angles, inclinations, and the longitudes of the ascending node, strongly suggests two different scenarios: the main-sequence stars and the dusty stellar S-cluster sources share the common formation history or migrated with a similar formation channel in the vicinity of Sgr A*. Alternatively, the gravitational influence of Sgr A* in combination with a massive perturber, such as a putative IMBH in the IRS 13 cluster, forces the dusty objects and S-stars to follow a particular orbital arrangement.

A4: First Measurements of the rotational Spectrum of Phosphabutyne (Sven Thorwirth, Luis Bonah) 

Many places in space are too far away to learn about them by sending spacecraft there. So they cannot be examined directly but instead, we can learn about them by analyzing their emitted light.
Due to quantum mechanics, each molecule has a set of characteristic transition lines that uniquely identify it. When these transition lines are found in the emitted spectrum, we can be sure that the respective molecule appears in the observed object.
However, to identify molecules in space, we first have to understand their characteristic patterns in the laboratory. We do so by measuring the rotational spectrum of the molecules in our experiment and then fitting quantum mechanical models to them. These models can then be used by astronomers to identify the molecules in space and also to infer the physical conditions of the corresponding regions in space. For example, the temperature can be deduced from intensity relations, the pressure from the lineshape, and the molecule’s abundance can be inferred from its intensity.
Here, we measured the pure rotational spectrum of phosphabutyne (C2H5CP) for the first time and analyzed its vibrational ground state as well as its three singly 13C-substituted isotopologues. This will allow astronomers to search for phosphabutyne in space and determine the prevailing conditions of the corresponding regions. The figure shows a section of the measured broadband spectrum on top, highlighting the pattern repeating with the total angular momentum quantum number J, while the zoom-in on the bottom highlights the very good agreement between the calculated and measured spectrum, especially when applying a small shift of 126 MHz.
This work was performed in collaboration with Jean-Claude Guillemin (University Rennes) and Michael E. Harding (KIT).

A6/B2: First detection of ionized carbon in a high latitude cloud raises new questions (Nicola Schneider, Volker Ossenkopf-Okada)

What is the structure and chemical composition of gas that may feed future star formation? Before interstellar gas turns dense enough to form new stars it is not fully molecular yet but in some so far unknown transitional state. A special case of such gas clouds are given by high-latitude clouds representing material that may fall onto the plane of the Milky Way.
In a recently accepted paper by Nicola Schneider and collaborators we reported results from SOFIA/upGREAT observations of a number of diffuse and high latitude clouds in the Milky Way, in particular the Draco, Spider, Polaris and Musca clouds. In only one of them, the Draco cloud, we detected emission of ionized carbon in spite of it being neither the densest cloud nor the one irradiated the strongest by known sources.
When trying to model the emission of all observations in terms of an astrochemical model of a photon-dominated region it turns out, that the model is not able to simultaneously explain the strength of the continuum emission from dust and the ionized carbon line. The ionized carbon detection and also the non-detections suggest a very low impinging UV field well below what is actually observed taking all the known stars in the environment. For the Draco cloud we can explain the difference by the additional energy from a shock that is produced when the cloud is hitting the interstellar gas of the Milky Way and some shielding of the cloud by interstellar dust in atomic gas. However, for the other clouds, we do not have a consistent explanation yet.
The paper combined the results from a fruitful collaboration between the CRC 1601 subprojects B2 and A6.

Figure caption: Schematic illustration of the illumination of a high-latitude cloud by UV radiation from stars in the plane of the Milky Way. The orange cylinder along the path between star and cloud indicates the dust column which attenuates the UV-field.

Astronomy on Tap Bonn

Join us next Tuesday, 23rd of April, at 19:00 at Fiddlers, Frongasse 9, Endenich for a new event of Astronomy on Tap Bonn!

The event will be featuring

1) Arunima Dutta: A Pulsar and its Mysterious Companion[en]

2) David Ohse: Warum sind wir hier? [de]

Leuchtstoffraum 2, Kleinmann-Low 16.1 channel sound installation – Julian Rohrhuber & Volker Ossenkopf-Okada

AUSSTELLUNG
DÜSSELDORF — WELTKUNSTZIMMER 
Öffnungszeiten: Do–So 14–18 h
Eröffnung • 18. April 2024 / 19.00 h

The Kleinmann-Low nebula in the Orion is a location of intense star formation with a complex spatial and chemical dynamic. Its radiation originates from finely distributed atoms and molecules, which in the light of the young stars emit a characteristic spectrum. The piece „Leuchtstoffraum“ is informed by the unusually precise measurements of the Herschel space telescope from 2010. It is based on the simple principle that the natural laws are the same on earth as in the nebula 1300 light years away. We hear the structure of electromagnetic radiation of a minute point in the sky whose frequencies may be partitioned into series of molecule spectra, known from the laboratory. Leuchtstoffraum 2 is an outcome of a collaboration between Julian Rohrhuber, professor at the Robert Schumann Hochschule Düsseldorf, with the astro-physicist PD Dr. Volker Ossenkopf-Okada, who teaches at I. Physikalische Institut of the University, Cologne.

www.JulianRohrhuber
wertlos.org/~rohrhuber
youtube:VolkerOssendorf-Okada

Präsentation des Fred Young Submillimeter Teleskops (FYST) – Dominik Riechers

Am 04. April 2024 wurde das neue Fred Young Submillimeter Teleskop (FYST) in Xanten am Niederrhein präsentiert. Begleitet von Vorträgen zu den wissenschaftlichen und technischen Hintergründen konnten sich die Teilnehmer*innen bei einer Bewegungsdemonstration und in Führungen einen Eindruck von dem neuartigen Teleskopdesign machen. Das FYST ist ein hochmodernes Teleskop, dessen Spiegeldurchmesser allein sechs Metern misst. Damit ist es für den Betrieb im Submillimeter- bis Millimeter-Wellenlängenbereich ausgelegt. Es wird Einblicke in die Geburt der ersten Sterne nach dem Urknall sowie in die Entstehung von Sternen und Galaxien gewähren.

„Das neuartige optische Design wird Aufnahmen mit hohem Durchsatz und großem Sichtfeld liefern und so eine schnelle und effiziente Kartierung des kompletten Himmels der südlichen Hemisphäre ermöglichen. Wir versuchen nicht weniger, als die Entstehung und Entwicklung unseres Universums seit dem Urknall besser zu verstehen“, so Professor Dr. Dominik Riechers vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln. „Es ist schon etwas ganz Besonderes, dass sich Universitäten, wie hier die Unis Bonn und Köln, an der Bereitstellung einer so großen wissenschaftlichen Infrastruktur beteiligen können. Das ist nur durch eine langjährige Schwerpunktsetzung möglich. Wir danken allen Förderern und Konsortiumspartnern“, sagte Karsten Gerlof, Kanzler der Universität zu Köln. Zudem richteten unter anderem Professorin Dr. Stephanie Walch-Gassner (Präsidentin der Astronomischen Gesellschaft, Institut für Astrophysik der Universität zu Köln), Thomas Görtz (Bürgermeister der Stadt Xanten), Edeltraud Klabuhn (Bürgermeisterin der Stadt Duisburg) und Chapman Godbey (US-Generalkonsulat Düsseldorf) Grußworte an die Teilnehmer*innen.

Nach dem Event wird das FYST zunächst weiterentwickelt. Zum Jahresende wird es demontiert und in Einzelteilen nach Chile verschifft. Final wird es in 5.600 Metern Höhe auf dem Berg Cerro Chajnantor in der chilenischen Atacama-Wüste stehen und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) überblicken. Die Beobachtungen des Weitwinkel-Teleskops im Submillimeter-Strahlungsbereich werden durch Wasserdampf in der Erdatmosphäre leicht verzerrt und das Signal stark abgeschwächt. Daher wird ein hoher und trockener Standort benötigt.

Partner im Projekt sind die Cornell University (USA), ein deutsches Konsortium bestehend aus der Universität zu Köln, der Universität Bonn und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching sowie ein kanadisches Konsortium mehrerer Universitäten. Entworfen wurde das Teleskop von Vertex Antennentechnik in Duisburg. Montiert wurde das FYST in Xanten auf dem Gelände der Wessel GmbH. Benannt wurde es nach Fred Young, der das Projekt über viele Jahre begleitet und großzügig finanziell unterstützt hat.


Youtube Channel about CCAT/FYST

Cornell press release

B6: SILCC-FUV: The Influence of Far-Ultraviolet Radiation on Star Formation and the Interstellar Medium (Tim-Eric Rathjen)

What roles do different stellar feedback processes play in governing star formation? From ionizing and non-ionizing radiation to stellar winds and supernovae, these forces interact with the surrounding stellar nurseries. However, understanding the precise significance of each process in shaping star formation remains an ongoing challenge.

We present new magneto-hydrodynamic (MHD) simulations conducted within the SILCC framework, exploring the multiphase interstellar medium (ISM) within a patch of a stratified galactic disk. Our study incorporates a self-consistent modeling of non-ionizing far-ultraviolet (FUV) radiation emitted by stellar clusters, aiming to understand its impact on star formation and the chemical composition of the nearby ISM. We observe locally intense interstellar radiation fields (ISRF) with values up to G0 ≈ 104 (in Habing units), contrasting with the canonical solar neighborhood value of G0 = 1.7.

Our findings suggest that while FUV radiation influences star formation, its role in regulating the star formation rate (SFR) appears less significant compared to other stellar feedback mechanisms such as ionizing UV radiation, stellar winds, and supernovae. Additionally, our chemical analysis reveals enhancements in both the warm-ionized medium (WIM) and the cold-neutral medium (CNM) beyond the vicinity of stellar clusters, indicating a complex interplay influenced by the self-consistent and highly variable FUV radiation field, fostering the presence of a diffuse molecular hydrogen gas phase.

Further details will be available in Rathjen et al., currently in preparation.

Figure: Overview of the simulated ISM. Shown are the edge-on views of the total gas (Σgas, 1st panel), molecular hydrogen (ΣH2, 4th panel), and ionized hydrogen (ΣH+, 5th panel) column densities, as well as mass-weighted gas (Tgas, 2nd panel) and dust (Tdust, 3rd panel) temperatures and ionizing photon energy density (eγ, 6th panel), the effective G0 field (Geff, 7th panel), and cosmic ray energy density (eCR, 8th panel) in projection. The star-forming galactic ISM is concentrated around the midplane. White circles in the 1st panel indicate active star clusters.

Colloquium program for Summer 2024

The colloquium program for summer semester 2024 is online. https://sfb1601.astro.uni-koeln.de/events/sfb1601-colloquium/

We welcome you every Monday at 3 pm at the University of Cologne, Physics Institutes (Zülpicher Str. 77) in Lecture Hall III.
The colloquia will start off with a coffee/tea reception at 02:45 pm in front of the lecture hall.

A2/A5: Confronting Simulations and Synthetic Observations (Birka Zimmermann)


To learn more about the formation and evolution of massive stars it is important to confront simulations and observations.
It is useful to interpret the observational data and to extract the cores’ physical parameters,. We can address e.g. the question how massive cores fragment and form (massive) stars, or how long the young, massive stellar objects are embedded in their parental core.

Doing so, we simulate a collapsing core scenario of a subvirial, 1000 M☉ core with an initial radius of 1 pc and a linear magnetic field of 100 μG, which is a birthplace of massive stars.

For the post-processing we use RADMC-3D, which is an open source radiative transfer code that is based on the Monte-Carlo method. Here, we present synthetic observations of the dust emission (top left panel). The advantage of our simulations is that we calculate the dust temperature self-consistently, hence taking into account radiative heating by all young stars as well as shock heating. Thus, RADMC-3D is directly working on the simulated dust temperature. These results are post-processed with CASA, where different, respectively a combination of, possible ALMA channels and predictable water vapour (pwv) in the atmosphere can be simulated.
We show the results for synthetic observations in different ALMA channels (labeled with AMLA TM1, TM2 and ACA; bottom panels), as well as their combination for two predictable water vapour settings (top middle and top right panel). In synthetic observations most of the structures in the less dense environment are not visible anymore; however, the emission of the main star forming regions remain.

This work was performed in collaboration with Dr. Álvaro Sánchez-Monge

Herzschlag der Milchstraße – Die Entstehung von neuen Sternen und Planetensystemen – Stefanie Walch-Gassner

Physikalischer Verein
Mi., 22. Nov. 2023 19:30 Uhr bis 20:30 Uhr
Livestream

Unsere kosmische Umgebung ist geprägt von unzähligen Sternen, die in den Tiefen des Weltraums entstehen. Doch wie genau formen sich diese strahlenden Himmelskörper, und wie entstehen die Planetensysteme, die sie umgeben? In diesem Vortrag werden wir uns auf eine Reise durch die Geburt von Sternen begeben und die komplexen Prozesse erkunden, die zur Entstehung neuer Planetensysteme führen.

Wir werden erfahren, dass Sternentstehung in gigantischen Gas- und Staubwolken stattfindet, in denen Gravitationskräfte und elektromagnetische Strahlung eine Schlüsselrolle spielen. Wir werden uns mit der Kollapsphase bis zur Geburt eines leuchtenden Sterns auseinandersetzen sowie die Entstehung von Planeten und deren Anordnung in einer Vielzahl von Planetensystemen erforschen.

Durch modernste astronomische Beobachtungen und Simulationen haben Wissenschaftler bedeutende Erkenntnisse über diese Prozesse gewonnen. Ich werde einige der neuesten Entdeckungen und bahnbrechenden Forschungsergebnisse präsentieren, die unser Verständnis von Sternen und Planetensystemen vertiefen.

Vortrag in der Volkssternwarte

Vortrag von Slawa Kabanovich (PH1): Sternentstehung im Eiltempo – Fliegende Sternwarte SOFIA liefert überraschende Ergebnisse

Beobachtungen des ionisierten Kohlenstoffs mit dem upGREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz) an Bord des deutsch-amerikanischen Stratosphärenteleskops SOFIA (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) haben gezeigt, dass HII-Regionen sich rasch ausdehnen können, angetrieben durch den Sternenwind. Die Kompression des umgebenden interstellaren Materials initiiert die Entstehung neuer Sterne. Dabei konnten wir feststellen, dass die Sternentstehung auf viel kürzeren Zeitskalen erfolgen kann, als bisher angenommen wurde. Die Beobachtung des ionisierten Kohlenstoffs war ausschließlich durch SOFIA möglich, da die [CII]-Linie vom Erdboden aus nicht beobachtbar ist. Die analysierten Daten ermöglichten es uns, die Bildung interstellarer Wolken zu untersuchen, und darüber hinaus den Einfluss massereicher Sterne auf das interstellare Medium zu erforschen.

 
Monatsvortrag am 24.11.2023 um 20:00 Uhr in der Volkssternwarte Köln:
 
Adresse:
Volkssternwarte Köln
Nikolausstraße 55
50937 Köln
 
Normales Ticket Monatsvortrag   7,00 €
Ermäßigtes Ticket Monatsvortrag 4,00 € (Für Schüler und Studenten)
Ticket-Shop hier:  https://pretix.eu/volkssternwartekoeln.de/2023-11-24/

Stellar fountain of youth with turbulent formation history in the centre of our galaxy

An unexpectedly high number of young stars has been identified in the direct vicinity of a supermassive black hole and water ice has been detected at the centre of our galaxy / publication in “The Astrophysical Journal”

An international team led by Dr Florian Peißker at the University of Cologne’s Institute of Astrophysics has analysed in detail a young star cluster in the immediate vicinity of the supermassive black hole Sagittarius A* (Sgr A*) in the centre of our galaxy and showed that it is significantly younger than expected. This cluster, known as IRS13, was discovered more than twenty years ago, but only now has it been possible to determine the cluster members in detail by combining a wide variety of data – taken with various telescopes over a period of several decades. The stars are a few 100,000 years old and therefore extraordinarily young for stellar conditions. By comparison, our sun is about 5 billion years old. Due to the high-energy radiation as well as the tidal forces of the galaxy, it should in fact not be possible for such a large number of young stars to be in the direct vicinity of the supermassive black hole. The study was conducted under the title ‘The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. I. Detection of a Rich Population of Dusty Objects in the IRS13 Cluster’ and has now appeared in The Astrophysical Journal.

In connection with the current study, a further outstanding result has also been published. For the first time, the James Webb Space Telescope (JWST) was used to record a spectrum free of atmospheric interference from the Galactic Center. A prism on board the telescope was developed at the Institute of Astrophysics in the working group led by Professor Dr Andreas Eckart, a co-author of the publication. The present spectrum shows that there is water ice in the Galactic Center. This water ice, which is often found in the dusty discs around very young stellar objects, is another independent indicator of the young age of some stars near the black hole.

In addition to the unexpected detection of young stars and water ice by the JWST, the researchers led by Dr Peißker have also found that IRS13 has a turbulent history of formation behind it. The study results suggest that IRS13 migrated toward the supermassive black hole through friction with the interstellar medium, collisions with other star clusters, or internal processes. From a certain distance, the cluster was then ‘captured’ by the gravitation of the black hole. In this process, a bow shock may have formed at the top of the cluster from the dust surrounding the cluster, similar to the tip of a ship in the water. The associated increase in dust density then stimulated further star formation. This is an explanation why these young stars are above all in the top or front of the cluster.

“The analysis of IRS13 and the accompanying interpretation of the cluster is the first attempt to unravel a decade-old mystery about the unexpectedly young stars in the Galactic Center,” according to Dr Peißker. “In addition to IRS13, there is a star cluster, the so-called S-cluster, which is even closer to the black hole and also consists of young stars. They are also significantly younger than would be possible according to accepted theories.” The findings on IRS13 provide the opportunity in further research to establish a connection between the direct vicinity of the black hole and regions several light years away. Dr Michal Zajaček, second author of the study and scientist at Masaryk University in Brno (Czech Republic), added: “The star cluster IRS13 seems to be the key to unravelling the origin of the dense star population at the centre of our galaxy. We have gathered extensive evidence that very young stars within the range of the supermassive black hole may have formed in star clusters such as IRS13. This is also the first time we have been able to identify star populations of different ages – hot main sequence stars and young emerging stars – in the cluster so close to the centre of the Milky Way.”

Media Contact:
Dr Florian Peißker
Institute of Astrophysics
+49 221 470 3491
peisskerph1.uni-koeln.de

Press and Communications Team:
Jan Voelkel
+49 221 470 2356
j.voelkelverw.uni-koeln.de

Further Information:
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf6b5

Atemholen im Universum – Wanderung durch die Vulkaneifel – Volker Ossenkopf-Okada

17. September 2023 in Schalkenmehren

Die Wanderung führt durch die malerische Vulkaneifel in Rheinland-Pfalz und kombiniert den Blick auf unsere Erde mit dem Blick ins Universum. 

Die Tour führt entlang der HeimatSpur-Route MaareGlück durch die Vulkaneifel bis zum Observatorium Hoher List. Anhand verschiedener Stationen erhalten die Teilnehmenden Einblicke in die Entstehung der Erde und die Entwicklung ihrer vulkanischen Aktivität. Dabei geht es auch um die Frage, was unseren Heimatplaneten so besonders macht. Im Observatorium erfahren die Teilnehmenden zudem, wie wir fremde Planeten erforschen können. Die rund zweistündige Wanderung endet im Café Maarblick in Schalkenmehren. Dort können die Teilnehmer*innen in entspannter Atmosphäre zusammenkommen und ihre Erfahrungen und Erkenntnisse gemeinsam reflektieren. 

Die Veranstaltung findet in Kooperation mit der Astronomischen Vereinigung Vulkaneifel am Hohen List e.V., Astronomers For Planet Earth und dem Natur- und Geopark Vulkaneifel GmbH statt.

Um Anmeldung wird gebeten: https://eveeno.com/vulkaneifel_wanderung

Die Teilnahme an der Wanderung ist kostenfrei. Es handelt sich um eine 2,5h Wanderung sowie eine 1,5h Führung am Observatorium. Es wird empfohlen, festes Schuhwerk, gegebenenfalls Regenschutz sowie ausreichend Wasser und Sonnenschutz mitzubringen.

Der Hiker’s Guide through the Galaxy findet im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2023 – Unser Universum statt und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Parent-Child Room

The New Parent-Child Room is open!

To create a family friendly environment the Physics Department at the University of Cologne has set up a parent-child room supported by the German Research Foundation (DFG). The room offers a back-up option for combining work and child care in case of urgency, e. g. gaps in child care or in exceptional circumstances.

https://sfb1601.astro.uni-koeln.de/gender/parent-child-room

New CRC 1601

The University of Cologne has obtained a new Collaborative Research Center (CRC) from the German Research Foundation (DFG). In addition, two existing CRCs have been extended. The new CRC 1601 is entitled “The Cosmic Evolution of the Habitats of Massive Stars”. The CRC will be funded for four years. The spokesperson of the new Collaborative Research Center is astronomy professor Dr. Stefanie Walch-Gassner from the Institute of Astrophysics at the University of Cologne. The researchers are investigating the cosmic evolution of the habitats of massive stars – the gaseous environments in which these stars are born and with which they interact. Due to their short lifetimes and high energy output, massive stars have significantly influenced the evolution of galaxies since the beginning of the universe.   

Within the CRC 1601, researchers are investigating the physical processes that determine the habitats of massive stars in different galactic environments. The new CRC combines four pillars: laboratory astrophysics, instrument development, observations, and theoretical modeling and simulations. The CRC partners have a strong profile as leading players in large international projects and have extensive experience in building and operating their own telescopes and developing state-of-the-art instruments in the infrared, submillimeter, and radio wave ranges. New developments, in particular the launch of the FYST/CCAT telescope in 2024, in which the Universities of Cologne and Bonn have a 25 percent stake, will be optimally supported by CRC 1601.

“We are extremely pleased about the new establishment of CRC 1601. The funding enables us to pursue an integrative approach. By combining the four pillars, we will be able to close major gaps in our understanding,” said Professor Dr. Walch-Gassner. “High-resolution studies of the habitats of massive stars will be combined with studies that look at the entire system ‘galaxy.’ This, and the inclusion of novel studies of the early universe and the associated extreme and highly variable conditions that prevail in young galaxies, will enable us to understand and quantify the cosmic evolution of the habitats of massive stars.”

Jan Voelkel
+49 221 470 2356
j.voelkel @verw.uni-koeln.de