The structure, stellar population, and formation history of the Milky Way's nuclear star cluster
[EN] The center of the Milky Way is the only galactic nucleus and the most extreme astrophysical environment that we can examine on scales of milli- parsecs. It contains the nearest example of a nuclear star cluster (NSC). NSCs have been found at the photometric and dynamical centers of the majority of galaxies in the local Universe. With e↵ective radii of a few parsecs and masses ranging between a few times 106–108 M!, they are among the densest known stellar structures. NSCs possess complex stellar populations and show clear signs of recurrent star formation, with the most recent event having occurred less than 100Myr ago in many of them. Moreover, NSCs can coexist with massive black holes (MBHs) at their centers. The Milky Way's nuclear star cluster (MWNSC) is located at a mere 8 kpc from Earth. While we can only study the integrated light in extragalactic NSCs, we can in the case of the Galactic center (GC) resolve physical scales on the order of a few milliparsecs (mpc) and thus study the properties, kinematics and even dynamics of individual stars. We possess unambiguous evidence for the existence of a 4 ⇥ 106 M! central black hole at the center of the MWNSC, thus making it an ideal target to study the interaction between a dense stellar cluster and a massive black hole. Due to the unique observational challenges – extreme crowding and extinction – the study of the NSC at the GC is confronted with unique difficulties. ; The high extinction limits imaging studies of the stars to the near-infrared (NIR). While this allows us, on the one hand, to use techniques like adaptive optics (AO) to obtain high angular resolution images from the ground, it poses, on the other hand, serious problems for stellar classification because the intrinsic colours of stars are small in the NIR. Because of the observational difficulties, our knowledge about the NSC still contains significant gaps, despite of several decades of observations. Existing work is a↵ected by either one or both of the following problems: (a) Low angular resolution, thus limiting it to the study of the brightest stars that represent less than one percent of the total population of the NSC; (b) limited spectral coverage, thus limiting their use for distinguishing between di↵erent types of stars. Spectroscopic studies with high angular resolution are necessarily limited to small numbers of stars or very small fields. They are therefore mostly limited to the central parsec. This thesis aims at providing answers to unresolved questions in our understanding of the GC, as well as provide new constraints on the structure of the MWNSC by using high resolution images and by improving the analysis. I examine images in a broad span of distances from the center of the Galaxy: from very large distances (⇠ 860 pc x 280 pc) to the innermost arcseconds where the supermassive black hole inhabits. Firstly, I aim to study the size and spatial structure of the MWNSC. I use data and methods that address potential shortcomings in previous work on the topic. I use 0.200 angular resolution Ks data to create a stellar density map in the central 86.4pc x 21 pc at the GC. I include data from selected AO assisted images obtained for the inner parsecs. In addition, I use IRAC/Spitzer MIR images. I model the Galactic bulge and the nuclear stellar disk in order to subtract them from the MWNSC. Finally, I fit a S´ersic model to the MWNSC and investigate its symmetry. I find that the MWNSC is flattened with an axis ratio of q = 0.71 ± 0.06, an e↵ective radius of Re = (5.1 ± 0.6) pc, and a S´ersic index of n = 2.2 ± 0.4. Its major axis may be tilted out of the Galactic plane by up to −10 degree. The distribution of the giants brighter than the Red Clump (RC) is found to be significantly flatter than the distribution of the faint stars. The MWNSC shares its main properties with other extragalactic NSCs found in spiral galaxies. The di↵erences in the structure between bright giants and RC stars might be related to the existence of not completely mixed populations of di↵erent ages. This may hint at recent growth of the MWNSC through star formation or cluster accretion. ; I also revisit the problem of inferring the innermost structure of the MWNSC, to clarify whether it displays a core or a cusp around the central black hole. The existence of dynamically relaxed stellar density cusp in dense clusters around massive black holes is a long-standing prediction of stellar dynamics, but it has so far escaped unambiguous observational confirmation. In order to study the distribution of stars around Sgr A*, I use data obtained with the NACO instrument at the ESO/Very Large Telescope (VLT) and I focus on two di↵erent methods to analyze three di↵erent stellar brightness ranges. I find that a Nuker law provides an adequate description of the nuclear cluster's intrinsic shape (assuming spherical symmetry). I find that the stellar density decreases with a 3D power-law index inside the range ! = 1.1 − 1.4 for distances smaller than the influence radius of Sgr A* (⇠ 3 pc). We can rule out a flat core with high confidence. The cusp is shallower than the predicted one by theory, but it can be explained if the star formation history of the NSC is taken into acount (Baumgardt et al., 2018). Finally, I peek at the very center of the Galaxy by improving the reduction and analysis of existing data. I use holographic technique and bootstrapping analysis. This has led to the detection of NIR emission of Sgr A* in epochs prior to 2003, when the first measurements were taken due to the development of AO. That allows Chen et al. (in preparation) to study the long-term NIR activity and explore the accretion flow onto the black hole in epochs where it had not been detected so far. ; [ES]El centro de la V´ıa L´actea es el ´unico n´ucleo gal´actico y el entorno astrof´ısico m´as extremo que podemos examinar en escalas de milli-parsecs. Contiene el ejemplo m´as cercano de un c´umulo estelar nuclear (o NSC, del ingl´es nuclear star cluster). Los NSCs han sido encontrados en los centros fotom´etricos y din´amicos de la mayor´ıa de las galaxias en el Universo local. Con radios efectivos de unos pocos parsecs y masas que van entre unas pocas veces 106–108 M!, se encuentran entre las estructuras estelares m´as densas conocidas. Adem´as, los NSCs pueden coexistir con agujeros negros masivos (o MBHs, del ingl´es massive black holes) en sus centros. El c´umulo estelar nuclear de la V´ıa L´actea (o MWNSC, del ingl´es Milky Way's NSC) est´a situado a tan s´olo 8 kpc de la Tierra. Mientras que podemos estudiar ´unicamente la luz integrada en NSCs extragal´acticos, en el caso del centro gal´actico (o GC, del ingl´es Galactic center) podemos resolver escalas f´ısicas del orden de unos pocos milli-parsecs (mpc) y, por lo tanto, estudiar las propiedades, cinem´atica, e incluso la din´amica de estrellas individuales. Contamos con evidencia inequ´ıvoca de la existencia de un agujero negro de masa 4⇥106 M! en el centro del MWNSC, convirti´endolo as´ı en un objetivo ideal donde estudiar la interacci´on entre un c´umulo estelar nuclear y un agujero negro masivo. Debido a sus desaf´ıos observacionales ´unicos - extremo hacinamiento y extinci´on - el estudio del NSC en el GC se enfrenta a dificultades ´unicas. La alta extinci´on limita los estudios de im´agenes de las estrellas al infrarrojo (o NIR, del ingl´es near-infrared). Mientras que esto nos permite el uso de t´ecnicas como la ´optica adaptativa (o AO, del ingl´es adaptive optics) para obtener im´agenes con alta resoluci´on angular desde la tierra por un lado, por otro lado tenemos serios problemas para la clasificaci ´on estelar debido a que el color intr´ınseco de las estrellas son peque˜nos en el NIR. A causa de las dificultades observacionales, nuestro conocimiento del NSC contiene todav´ıa brechas significativas, a pesar de varias d´ecadas de observaciones. El trabajo existente est´a afectado por uno o ambos de los siguientes problemas: (a) Baja resoluci´on angular, limit´andolo as´ı al estudio de las estrellas m´as brillantes, que representan menos que el uno por ciento de la poblaci´on total del NSC; (b) cobertura espectral limitada, lo que limita su uso para distinguir entre diferentes tipos de estrellas. Los estudios espectrosc´opicos con alta resoluci´on angular est´an necesariamente restringidos a peque˜nos n´umeros de estrellas o campos muy peque˜nos. Por lo tanto, est´an en su mayor´ıa limitados al parsec central. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar respuestas a preguntas sin resolver en nuestra comprensi´on del GC, as´ı como proporcionar nuevas restricciones en la estructura del MWNSC mediante el uso de im´agenes de alta resoluci´on y la mejora del an´alisis. Examino las im´agenes en un amplio rango de distancias desde el centro de la Galaxia: desde distancias muy grandes (⇠ 860 pc x 280 pc) hasta los arco-segundos m´as profundos donde habita el agujero negro supermasivo. ; En primer lugar, mi objetivo es estudiar el tama˜no y la estructura espacial del MWNSC. Utilizo datos y m´etodos que abordan posibles deficiencias en trabajos anteriores sobre el tema. Utilizo 0.200 resoluci´on angular Ks datos para crear un mapa de densidad estelar en el GC en los 86.4 pc x 21 pc centrales. Incluyo datos de im´agenes asistidas por AO obtenidas para los parsecs internos. Adem´as, utilizo im´agenes del medio infrarrojo de IRAC/Spitzer. Modelo el bulbo gal´actico y el disco estelar nuclear para subtraerlos del MWNSC. Finalmente, ajusto un modelo S´ersic a el MWNSC e investigo su simetr´ıa. Encuentro que el MWNSC est´a aplanado con una relaci´on de eje de q = 0.71 ± 0.06, un radio efectivo de Re = (5.1 ± 0.6) pc, y un ´ındice S´ersic de n = 2.2 ± 0.4. Su eje mayor se puede inclinar desde el plano gal´actico hasta −10 grados. La distribuci´on de las estrellas gigantes m´as brillantes que el grupo rojo (o RC, del ingl´es red clump) es significativamente m´as plano que la distribuci ´on de las estrellas d´ebiles. El MWNSC comparte sus principales propiedades con otros NSCs extragal´acticos encontrados en galaxias espirales. Las diferencias en la estructura entre gigantes brillantes y las estrellas RC podr´ıan estar relacionadas con la existencia de poblaciones de diferentes edades no completamente mezcladas. Esto puede indicar un crecimiento reciente del MWNSC a trav´es de la formaci´on de estrellas o la acreci´on de c´umulos. Tambi´en reviso el problema de inferir la estructura m´as interna del MWNSC, para aclarar si muestra un coraz´on o una c´uspide alrededor del agujero negro central. La existencia de una c´uspide de densidad estelar din´amicamente relajada en grupos densos alrededor de agujeros negros masivos es una antigua predicci´on de la din´amica estelar, pero hasta ahora ha escapado de la confirmaci´on observacional sin ambig¨uedades. Para estudiar la distribuci´on de estrellas alrededor de Sgr A*, uso los datos obtenidos con el instrumento NACO en el telescopio ESO/Very Large Telescope (VLT) y me centro en dos m´etodos diferentes para analizar tres rangos de brillo estelar diferentes. Encuentro que una ley de Nuker proporciona una descripci´on adecuada de la forma intr´ınseca del c´umulo nuclear (asumiendo simetr´ıa esf´erica). Encuentro que la densidad estelar disminuye con un ´ındice 3D de ley de potencia dentro del rango ! = 1.1−1.4 para distancias m´as peque˜nas que el radio de influencia de Sgr A* (⇠ 3 pc). Podemos descartar un coraz´on plano con alta confianza. La c´uspide es menos profunda que la pronosticada por la teor´ıa, pero puede explicarse si se tiene en cuenta la historia de formaci´on estelar del NSC (Baumgardt et al., 2018). Finalmente, me asomo al mismo centro de la Galaxia mejorando la reducci´on y al an´alisis de los datos existentes. Gracias a la t´ecnica hologr´afica y el an´alisis bootstrapping, detectamos la emisi´on de NIR de Sgr A* en ´epocas anteriores a 2003, cuando se tomaron las primeras mediciones debido al desarrollo de AO. Esto permite a Chen et al. (in preparation) estudiar la actividad en el NIR a largo plazo y explorar el flujo de acreci´on en el agujero negro en ´epocas donde no se hab´ıa detectado hasta el momento. ; The research leading to these results has received funding from the European Research Council under the European Union's Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) / ERC grant agreement nº [614922]. ; Peer reviewed