Výzkum extrémně zakrytých galaktických jader v našem blízkém okolí

Bc. Kristína Kallová

Master's thesis

Probing extremely obscured accretion in our cosmic backyard

Abstract:

Silně zahalená aktivní galaktická jádra (z angličtiny AGN) nabízejí jedinečnou příležitost ke studiu okolí akreujících supermasivních černých děr (z angličtiny SMBH). Studium zahalení AGN je klíčové pro pochopení komplexnosti jejich populace, protože většina AGN ve vesmíru je zahalena (Comastri, 2004). Rovněž nám může pomoci zodpovědět některé z hlavních otázek týkajících se vývoje galaxií a jejich společného vývoje s centrálními černými dírami. Právě potrava černých děr je pravděpodobně tím, co nám zakrývá výhled, a proto nám studium cirkumnukleární oblasti může také pomoci pochopit proces pohánění i růstu většiny populace AGN, k němuž dochází pravděpodobně během silně zastíněných fází prudké akrece (Fabian a spol., 2000). Nová observatoř v tvrdém rentgenovém pásmu NuSTAR představila novou éru studia takových systémů, neboť pozorovaný tvar spektra v pásmu > 10 keV je klíčový pro pochopení geometrických a fyzikálních vlastností stínícího torusu, stejně jako pro odhad vlastních parametrů systému, jako je vlastní rentgenová svítivost nebo Eddingtonův poměr. V této práci představuji detailní studium hluboce zakryté akreující SMBH v Seyfertově galaxii 2 NGC 3982 pomocí dalekohledů XMM-Newton a NuSTAR. Na širokopásmové rentgenové spektrum zdroje jsem fitovala několik různých modelů stínícího materiálu, o němž se předpokládá, že se nachází ve vzdálenosti ~1-10 parseků od SMBH. Každý model reprezentuje jinou geometrii zakrývajícího cirkumnukleárního regionu, ale také porovnávám výsledky s empirickým modelem předpokládajícím nefyzikální polo-nekonečnou odraznou plochu. Pomocí platformy Bayesian X-ray Analysis (BXA), která spojuje balík Xspec pro fitování rentgenového spektra s vnořeným vzorkováním, je prozkoumán celý předdefinovaný prostor parametrů každého modelu, aby se odstranily problémy s lokálními minimy a přesně reprodukovaly degenerace parametrů. Všechny modely nalezly sloupcovou hustotu stínícího materiálu větší než 10^{24} cm^{-2}, což potvrzuje silně zahalenou povahu zdroje, a vlastní rentgenovou svítivost v pásmu 2-10 keV log L = 41,4 erg/s pro nejvíce pravděpodobný model založený na komplexní shlukovité geometrii s více reflektory, UxClumpy. Vzhledem k tomu, že studovaná AGN je ze své podstaty málo svítivý zdroj a je silně zakrytá, jsou geometrické vlastnosti torusu s ohledem na kvalitu dat špatně omezeny a všechny modely poskytují zhruba konzistentní výsledky. Nicméně pomocí simulací spekter High Energy X-ray Probe (HEX-P, nadcházející mise NASA typu sondy) z nejpravděpodobnějšího modelu pro NGC 3982 s využitím složité geometrie s více diskrétními reflektory ilustruji budoucí potenciál pro citlivé studia stínících torusů i mezi populací AGN s nízkou svítivostí.

Abstract:

Heavily obscured Active Galactic Nuclei (AGN) offer a unique opportunity to study the circumnuclear environment in accreting supermassive black holes (SMBH). Study of the obscuration in AGN is crucial for comprehension of complexity of the AGN population as most of the AGN in the Universe are obscured (Comastri, 2004). It can also help us to answer some of the major questions regarding the galaxy evolution and its coevolution with the central black holes. The food of black holes is likely what is obscuring our view, thus studying the circumnuclear region can also help us understand the fuelling process as well as the growth of the bulk of the AGN population, occurring likely during heavily obscured phases of rapid accretion (Fabian et al., 2000). A new observatory in the hard X-ray band, NuSTAR introduced a new era for studying such systems as the observed spectral shape in the >10 keV band is crucial for understanding the geometrical and physical properties of the obscurer, as well as for the estimation of the intrinsic properties of the system such as the intrinsic X-ray luminosity or the Eddington ratio. In this work I present a detailed study of the a deeply buried accreting SMBH in the Seyfert 2 galaxy NGC 3982 with XMM-Newton and NuSTAR observatories. I fit several different models of the obscurer believed to be located within ~1-10 parsecs from the SMBH to the broadband X-ray spectrum of the source. Each model represents a different circumnuclear obscurer geometry but I also compare the results with empirical model assuming an unphysical semi-infinite reflecting slab. By using the Bayesian X-ray Analysis (BXA) platform that connects X-ray fitting package Xspec with nested sampling, the full pre-defined parameter space of each model is explored to remove issues with local minima and reproduce parameter degeneracies precisely. All models find the column density of the obscurer above 10^{24} cm^{-2} confirming the Compton-thick nature of the source, and the intrinsic X-ray luminosity in the 2-10 keV band log L = 41.4 erg/s for the best-performing complex multi-reflector clumpy-geometry model, UxClumpy. As the studied AGN is intrinsically a low-luminosity source and heavily obscured, regarding the data quality, geometrical properties of the obscurer are poorly constrained and all the models are giving consistent results. However, by simulating High Energy X-ray Probe (HEX-P, an upcoming NASA probe class mission) spectra from the best-fit for NGC 3982 in a complex multi-reflector clumpy geometry I illustrate the future potential for sensitive studies of the obscurer geometry even amongst the low-luminosity AGN population.

Keywords

rentgenovo zakrytá aktivní galaktická jádra, pozorování s nízkym počtem countů, XMM-Newton, NuSTAR, širokopásmová rentgenová reflexní spektroskopie, empiricky motivované modely torusů, NGC 3982, X-ray obscuration of active galactic nuclei, low-count observations, broadband X-ray reflection spectroscopy, empirically motivated torus models

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 1. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 8. 2. 2023
• Supervisor: Dr. Peter Boorman
• Reader: prof. Mgr. Norbert Werner, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Astrophysics