Resumen de Una visión multifrecuencia de núcleos de galaxias activas : tesis doctoral

Ignacio Ordovás Pascual

• español

  Objetivos de la Investigación Los Núcleos de Galaxias Activas (AGN en inglés) presentan emisión a lo largo de todo el espectro electromagnético caracterizada por una luminosidad muy alta y persistente, distribución espectral de energías (SED) no térmica y variabilidad en escalas de tiempo que van de años a minutos, indicando estas últimas que la emisión se produce en regiones muy compactas. Estas características indican que el origen de esta emisión es debido a la acreción de material a un agujero negro supermasivo (SMBH) con masa en torno a 106-9 masas solares localizado en el núcleo de la galaxia activa. Principalmente, los AGN en el UV/óptico se dividen en fuentes de tipo-1, aquellos con líneas de emisión anchas (con anchura a media altura FWHM>1500 km/s), y objetos de tipo-2, sin presencia de las mencionadas líneas de emisión anchas. Estas diferencias se explican con el conocido como Modelo Unificado de AGN que, en su versión más simple, interpreta estas diferencias como efectos de orientación. La forma de explicarlo es con la existencia de una estructura toroidal de polvo y gas que rodea el SMBH: el toro. Según la inclinación del plano ecuatorial del toro con respecto a nuestra línea de visión, si la emisión de las regiones más internas del AGN (como la región de líneas anchas; BLR) intercepta el toro, estará oscurecida y por tanto se clasifica como tipo-2. En el caso de que la línea de visión no intercepte el toro, la emisión del AGN no estará oscurecida y se clasifica como tipo-1. Este modelo es capaz de describir las propiedades observadas para la mayoría de AGN. Sin embargo, existe un porcentaje importante de fuentes cuyas propiedades discrepan en diferentes frecuencias del espectro electromagnético, y por tanto no pueden ser justificadas con la versión más simple del Modelo Unificado basado en orientación.

  En esta tesis tratamos de estudiar la relación entre la extinción en el UV/óptico y la absorción medida en rayos X de los AGN de tipo-1. La caracterización del oscurecimiento de la emisión nuclear es un aspecto importante en el estudio de AGN ya que es necesaria para poder recuperar su emisión intrínseca y propiedades derivadas de ella. Además nos permite comprender las propiedades del medio que rodea el SMBH. A día de hoy sigue habiendo muchas incógnitas acerca del oscurecimiento en AGN, y por tanto de la validez de los modelos basados en orientación del toro. Son necesarios estudios con muestras que introduzcan los menores sesgos posibles.

  Planteamiento y metodología En esta tesis doctoral hemos realizado un estudio centrado en AGN de tipo-1, provenientes del muestreo de AGN Bright Ultra-hard XMM-Newton Survey (BUXS). Se trata de una muestra de 255 AGN seleccionada en la banda de los rayos X duros (4.5-10 keV). Esta selección permite tener una muestra de AGN de tipo-1 casi completa para AGN no oscurecidos y con absorciones en rayos X bajas, perdiendo aquellos muy oscurecidos con densidades de columna de hidrógeno NH>1023 cm-2 (nivel de absorción en rayos X a lo largo de la línea de visión). Como en esta tesis doctoral trabajamos sólamente con AGN de tipo-1, la selección en rayos X duros no debería introducir ningún sesgo importante en la muestra porque no se espera que objetos con estas NH muestren líneas anchas en el UV/óptico. Disponemos de datos en rayos X de XMM-Newton de buena calidad para todos los objetos, así como de espectros en el UV/óptico del muestreo público Sloan Digital Sky survey (SDSS) y observaciones dedicadas de diversos telescopios terrestres para sus contrapartidas ópticas. La información disponible de los espectros UV/ópticos es muy buena, ya que la identificación espectroscópica de las fuentes de BUXS es casi completa (>99% de fuentes identificadas, con 172 tipos-1 y 80 tipos-2).

  Hemos planteado dos estudios diferentes. En primer lugar tenemos dos AGN con clasificación UV/óptica indicativa de extinción óptica elevada, pero sus espectros en rayos X indican que en la línea de visión hay baja absorción. Según la versión simple del Modelo Unificado de AGN, los objetos con extinción óptica elevada deberían tener también una absorción en rayos X elevada, por lo que deben explicarse de alguna forma diferente. Para determinar el origen de la mencionada discrepancia en estos dos objetos realizamos un estudio detallado separando la contribución del AGN y la galaxia anfitriona, obteniendo así la extinción óptica e información sobre las líneas de emisión anchas y estrechas en longitudes de onda UV/óptica. Usamos espectros de VLT/X-Shooter con alta resolución espectral y con cobertura desde el ultravioleta hasta en infrarrojo cercano, además de espectros de alta calidad en rayos X obtenidos con el observatorio XMM-Newton. Hemos investigado diferentes escenarios para descubrir el origen de la diferencia entre las clasificaciones ópticas y en rayos X.

  En el segundo estudio, hemos llevado a cabo un análisis estadístico de una muestra representativa de AGN de tipo-1 (132 AGN). Para esta muestra hemos excluido todos los AGN con luminosidad intrínseca en la banda 2-10 keV con log(L2-10 keV/erg s-1)<42, para aumentar el contraste entre el AGN y la galaxia anfitriona. Además, analizamos únicamente los objetos con z<1, para que los ajustes para obtener NH den resultados lo suficientemente robustos. Esto es porque con z creciente perdemos cobertura de la emisión en rayos X a más baja energía, que es donde mejor permite ajustar el NH.

  Para el estudio científico que hemos llevado a cabo, analizamos los espectros ópticos y de rayos X para obtener la extinción óptica (AV) y la absorción en rayos X (NH). Además, hemos obtenido parámetros como la luminosidad intrínseca de los AGN y de determinadas líneas de emisión y de la dispersión de velocidades de la BLR. En el caso de los espectros ópticos, tras corregir de la extinción Galáctica, hemos separado la emisión de la galaxia anfitriona y la del AGN. Los modelos usados para la emisión de la galaxia anfitriona provienen de ajustes de SEDs. A la emisión de AGN se le aplica el modelo de extinción de la Pequeña Nube de Magallanes de Gordon et al. 2003, que es más apropiado para reproducir la extinción óptica de la emisión nuclear del AGN. Así podemos aislar la emisión nuclear y obtener la extinción óptica. Ajustando las regiones en longitud de onda de líneas de emisión usando una ley de potencias además de perfiles gaussianos, nos permite obtener el flujo y la anchura en velocidad de las líneas de emisión estrechas y anchas de los AGN.

  En cuanto al tratamiento de los espectros en rayos X modelamos su emisión ajustando diferentes contribuciones (continuo de ley de potencias, absorción por gas, emisión de gas caliente, etc.), derivando la absorción en rayos X y la luminosidad intrínseca de la fuente. Para los espectros de rayos X de los dos AGN con clasificaciones discordantes, los ajustes han sido realizados en esta tesis doctoral, mientras que los espectros del segundo trabajo han sido ajustados por miembros del grupo y en esta tesis se ha trabajado con los resultados de los ajustes. Agrupando todas las observaciones de XMM-Newton disponibles para cada objeto, nos permite determinar la absorción en rayos X con una precisión mayor, ya que somos capaces de medir el NH hasta log(NH/cm-2)=19, frente a log(NH/cm-2)=20, que es el mínimo NH que se suele dar en trabajos similares anteriores cuando no se detecta absorción. Este hecho es crítico para nuestro estudio ya que los AGN tipo-1 generalmente presentan poca absorción en rayos X.

  Para el estudio estadístico de AGN de tipo-1 hemos obtenido las distribuciones individuales de probabilidad de AV y NH para cada objeto, siendo el primer estudio que utiliza estas distribuciones para el análisis del oscurecimiento de los AGN. Ésto, sumado a la buena calidad de los datos de los que disponemos nos permite realizar una investigación mucho más completa que en estudios anteriores. Con los parámetros que se han obtenido de los espectros en cada frecuencia, podemos conocer mejor la relación entre la clasificación de los AGN y su oscurecimiento, y podemos dar posibles explicaciones para aquellos AGN cuya clasificación óptica y en rayos X no coincide. Además comparamos la extinción en el óptico y la absorción en rayos X para conocer cómo de relacionadas están estas dos cantidades en una muestra completa.

  Aportaciones originales Los dos AGN con clasificación discordante muestran un origen diferente de la discrepancia. En uno de los casos, la explicación más probable es que el medio que oscurece la emisión nuclear tiene más polvo que gas comparado con un medio con una composición similar a la Galáctica. Ésto provoca que observemos más extinción en el UV/óptico que en rayos X. En cuanto al segundo objeto, el cociente gas/polvo es compatible con una composición relativa como la Galáctica. La discrepancia se debe a efectos de dilución de la emisión nuclear por la emisión estelar, ya que la relación entre las masas de la galaxia anfitriona y del agujero negro es muy superior a lo esperado comparado con las relaciones típicas en la literatura. Hemos descartado en ambos casos que sean AGN Compton-thick (NH>1024 cm-2). También hemos descartado que el flujo de las líneas anchas sea intrínsecamente débil comparado con el rango de cocientes típicos de los flujos de líneas anchas y estrechas que suelen presentar los AGN.

  El análisis de la muestra representativa de tipos-1 ha permitido encontrar que la fracción de objetos extinguidos en el óptico y absorbidos en rayos X es significativamente mayor en la submuestra de la que disponemos de clasificación completa (aquellos con z<0.2) que en la muestra total de tipos-1 (40-50% frente a 20%). La fracción de objetos de la muestra completa que son tipos-1 absorbidos pero no enrojecidos y viceversa es de un 32 %, que es un factor ~2 más elevado que lo que se encuentra en la literatura. Ésto indica que, sin trabajar con muestras con clasificaciones completas, los resultados extraídos están sesgados hacia objetos con menor oscurecimiento. Conforme aumenta z, perdemos objetos oscurecidos que son clasificados como tipos-2, ya que sus líneas de emisión anchas quedan fuera de la cobertura del espectro UV/óptico.

  En nuestro estudio hemos obtenido una relación creciente entre subtipo de AGN (de 1.0 a 1.9) y el oscurecimiento, tanto en el rango óptico como en rayos X. En el caso de la extinción óptica, AV crece gradualmente con el subtipo, mientras que la absorción en rayos X crece abruptamente desde los tipos-1.0/2/5 a los tipos-1.8/9. Aunque pueda haber escenarios diferentes que puedan influir en el cociente relativo entre el flujo de líneas anchas y estrechas, algo que da lugar a la clasificación óptica, en nuestro análisis hemos obtenido que la extinción es la principal contribución a la clasificación de AGN. Concluimos finalmente, que tanto AV como NH tienen una relación directa con el subtipo de AGN.

  Hemos analizado la fiabilidad de los métodos que estiman la extinción óptica basados en los cocientes de los flujos de las líneas anchas de Hα y Hß (Balmer decrement) con nuestras estimaciones basadas en el análisis del continuo UV/óptico emitido por el disco de acreción. Si bien los cocientes intrínsecos medios que obtenemos se ajustan a los usados en la literatura, las estimaciones de AV no están muy correlacionadas. Estos resultados están en concordancia con estudios que sostienen que el cociente intrínseco de los flujos de las líneas anchas de Hα y Hß puede variar de unos objetos a otros dependiendo de las condiciones físicas del material donde se emiten las líneas. Por tanto, el análisis realizado en esta tesis indica que las estimaciones de AV basadas en el Balmer decrement deben ser tomadas con precaución.

  En cuanto a la relación AV-NH, que da cuenta de la cantidad relativa de polvo y gas, los resultados obtenidos muestran que no hay una relación clara entre la extinción óptica y la absorción en rayos X, por lo que no podemos extrapolar directamente un nivel determinado de absorción en rayos X a partir del oscurecimiento en el óptico y viceversa. Para aproximadamente la mitad de la muestra, aquellos con AV y NH más bajos, el cociente AV/NH está sesgado debido a errores sistemáticos. Ésto implica que para una parte importante de la muestra no es posible estimar el cociente entre polvo y gas, aun teniendo datos de gran calidad. En estudios previos, el cociente AV/NH obtenido muestra valores compatibles o por debajo del cociente Galáctico, mientras que sólo una minoría (3-9%) tiene un exceso de polvo con respecto al gas comparado con la relación Galáctica. Con nuestro análisis riguroso y conservador basado en las distribuciones de probabilidad de AV y NH, encontramos un mínimo de un 47% de objetos con un cociente de polvo/gas más alto que el Galáctico para la muestra completa. Si usamos únicamente los tipos-1.0/2/5, como hacen otros trabajos, esta fracción mínima es de un 32%, que sigue siendo más alta que la de estudios anteriores. Esta elevada fracción de objetos con AV/NH más altos que el cociente Galáctico comparada con estudios anteriores puede ser debida a la clasificación equivocada de tipos-1 como tipos-2, por métodos de selección que sesgan la muestra en contra de AGN con extinción elevada, o porque este análisis no ha sido formalmente realizado por no ser el objetivo de estos trabajos.

  Conclusiones En esta tesis hemos demostrado que las discrepancias entre las clasificaciones ópticas y en rayos X pueden deberse a diversos factores. Por esta razón, aquellos AGN con clasificación óptica que indica elevada extinción en el óptico pero cuyo espectro en rayos X presenta poca absorción en rayos X no pueden considerarse una familia física de objetos, al tener propiedades distintas. En el estudio detallado de las dos fuentes encontramos dos explicaciones completamente diferentes al hecho de que estos AGN presenten un espectro en rayos X poco o nada absorbido mientras que su clasificación UV/óptico indica elevada extinción.

  En la muestra de AGN de tipo-1 de que hemos estudiado de forma estadística, hemos obtenido que las muestras de tipos-1 sin cobertura espectral de la región de Hα para todos los AGN son incompletas para los tipos-1.8/9. Por tanto estas muestras presentan sesgos en contra de NH y AV altos. Hemos demostrado que el cociente intrínseco de los flujos de las líneas de Hα y Hß anchas es dispar, afectando por tanto a las estimaciones de AV basadas en el Balmer decrement. Hemos comprobado finalmente que la cantidad de absorción en rayos X y el oscurecimiento óptico no presentan una relación robusta, favoreciendo modelos que asumen que la absorción en rayos X y la extinción en el óptico se producen mayoritariamente en estructuras diferentes, o alternativamente que los cocientes AV/NH pueden ser muy distintos de fuente a fuente.

  Futuras líneas de investigación Los resultados de esta tesis indican que la extensión de la espectroscopía hasta el infrarrojo cercano para poder detectar posibles objetos oscurecidos que por cobertura del espectro no detectamos para z>0.2 permitiría determinar cuántos objetos oscurecidos se pierden a altas luminosidades y mejorar la estadística de los resultados obtenidos en esta tesis doctoral. Además permitiría analizar de forma robusta los efectos con la luminosidad intrínseca del AGN. Extender la muestra a z>0.2, al sacar espectros en el UV/óptico con rendija estrecha para aquellos de los que sólo disponemos de espectro UV/óptico con fibra, también permitiría identificar objetos de tipo-1 clasificados tipo-2 debido a la dilución de la emisión nuclear por la emisión estelar. De entre los 60 tipos-2 en el rango z=0.05-1 y con log(L2-10 keV/erg s-1)>42 identificados en BUXS, 12 no están absorbidos en rayos X y es posible que sean en realidad tipos-1 afectados por esta dilución. Para z<0.2 el impacto no es importante, ya que sólamente 3 (menos de un 8%) son tipos-2 no absorbidos. Por último, con los datos obtenidos en esta tesis y futuras extensiones, se podría obtener la tasa de acreción del SMBH y ver su dependencia con la subclasificación de AGN.

• English

  In this Thesis we study the relation between the UV/optical extinction (AV) and the X-ray absorption (NH) in type-1 AGN using the Bright Ultra-hard XMM-Newton Survey (BUXS). We have conducted two different studies. In the first one we have two type-1.9 AGN (high AV) with low NH. so we study this discordance. In the second one, we have conducted a statistical study of a representative study of 132 type-1 AGN, excluding those with L2-10 keV<1042 erg/s and z>1. We analysed the optical and X-ray spectra to obtain AV and NH, the intrinsic luminosity and fluxes and widths of the emission lines. In the first study we obtained that low absorbed type-1 AGN do not form a physical family of objects, as the discordance in each object is caused by different factors. With the statistical study we obtained that AV and NH are related with the optical subclassification. If complete classification samples are not used, the results are biased against highly obscured sources. We checked that Balmer decrement is not a good estimator of AV. For type-1 AGN, we obtained that extinction and absorption are not correlated. Lastly, using a complete sample, the amount of AGN with higher dust-to-gas ratio than the Galactic is higher than previously reported.