Multifrequency observations of radio galaxies and their interaction with the intergalactic medium

Mgr. Romana Grossová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Galaxie raného typu, nacházející se v centrálních oblastech skupin galaxií a kup galaxií, jsou největší, nejstarší a nejpodivnější galaktické struktury ve vesmíru. Na jejich vznik a vývoj má zásadní vliv centrální aktivně akreující supermasivní černá díra, nazývaná také aktivní galaktické jádro (active galactic nucleus = AGN). AGN v galaxiích raného typu v rádio-mechanickém režimu zpětné vazby vytvářejí jety ultra-relativistických částic viditelných hlavně na rádiových frekvencích. Jety interagují s okolním horkým rentgenovým plynem a nafukují rentgenové dutiny a tak brání tomu, aby docházelo k ochlazování plynu a formování nových hvězd v centrálních oblastech. Radio-mechanický režim zpětné vazby byl značně studován v posledních dvou desetiletích, ale podrobnosti o jeho pracovním cyklu a příslušných fyzikálních procesech zůstávají nejasné. Hloubková analýza vícefrekvenčních dat s primárním zaměřením na rádiovou emisi na gigahertzových frekvencích, nám umožňuje zkoumat jety a jejich roli v radio-mechanické zpětné AGN vazbě. Hlavní nezodpovězené otázky jsou: jak tento režim zpětné vazby udržuje rovnováhu mezi zahříváním a chlazením okolního média na různých škálách, čímž udržuje jejich hostitelské galaxie raného typy "rudé a mrtvé"? Jaký je aktuální stav aktivity AGN v objemově omezeném vzorku rentgenových a opticky jasných galaxií? Je AGN zapnutá nepřetržitě a fouká bubliny relativistického plynu do horké atmosféry? Nebo se AGN zapíná a vypíná? Naše statistická studie je založena především na rádiové emisi ze 42 nejbližších a zároveň rentgenově a opticky nejjasnějších galaxií raného typu, pozorovaných pomocí Very Large Array (VLA) při frekvencích mezi 1-2 GHz na různých škálách a rozlišeních. Abychom mohli studovat vliv rádiových jetů na okolní plyn, zahrnuli jsme analýzu archivních rentgenových dat z dalekohledu Chandra. Analýza ukázala, že rádiová emise, detekována v 41/42 galaxií, je rozsáhlá pro 27/42 zdrojů. 34/42 galaxií ukazuje interakce ve formě rentgenových dutin. 7/14 galaxií s bodovou rádiovou emisí (Fanaroff-Riley Class 0; FR0) vykazuje rentgenové dutiny. To naznačuje, že navzdory nedostatku rozšířených rádiových struktur na frekvenci 1-2 GHz, tyto AGN vypouštějí jety schopné nafouknout laloky a dutiny. Při zkoumání vztahů mezi rádiovými a rentgenovými nebo optickými vlastnostmi emise z těchto galaxií nenacházíme žádné významně silné korelace. Centrální rádiové spektrální indexy galaxií jsou většinou strmé, pouze 1/3 systémů vykazuje plochá a obrácená spektra. Touto studií jsme prokázali, že aktivita AGN v rádiovém režimu je rozšířená v masivních galaxiích raného typu, kde jsou AGN v naprosté většině případů v zapnutém stavu a liší se pouze v intenzitě jejich aktivity.

Abstract:

Early-type galaxies, located in the central regions of groups and clusters, are among the largest, oldest, and most peculiar structures in the Universe. Their formation and evolution are strongly affected by their central accreting supermassive black holes, so-called active galactic nuclei (AGN). AGN in early-type galaxies operate in radio mechanical mode, producing jets of ultra-relativistic particles mainly visible at radio frequencies. These are interacting with the ambient hot gas and inflating cavities seen in X-ray images. This interaction prevents the gas from cooling and forming new stars in the central regions. The radio-mechanical feedback mode has been studied extensively in the last two decades, but the details about its duty cycle and relevant physical processes are still missing. The in-depth analysis of multifrequency data, with a primary focus on the radio emission at gigahertz frequencies, allowed us to investigate the jets and their role in the feedback. The main open questions are: how does this feedback mode maintain the balance between heating and cooling of the ambient medium at different scales, thus keeping their host early-type galaxies ‘red and dead’? What is the current state of the AGN activity in a volume-limited sample of X-rays and optically bright galaxies? Are these AGN always turned on and blowing bubbles of relativistic plasma into the hot atmosphere continuously? Or are AGN turning on and off? Our statistical study is mainly based on the radio emission of the 42 nearest and X-ray and optically brightest early-type galaxies observed with Very Large Array (VLA) at frequencies between 1-2 GHz at various spatial scales and resolutions. To study the influence of radio jets on the ambient gas, we included the analysis of archival X-ray observations from Chandra. The analysis shows that the radio emission detected in 41/42 galaxies in our sample, is extended for 27/42 cases. 34/42 galaxies show signatures of interactions featuring X-ray cavities. Then 7/14 galaxies, even if being point-like at radio frequencies (Fanaroff-Riley Class 0; FR0) have X-ray cavities. This indicates that despite the lack of extended radio structures at 1-2 GHz, these AGN can launch jets capable of inflating lobes and cavities. We find no significant strong correlations between radio, X-rays or optical properties. Finally, the radio spectral indices are mostly steep with only 1/3 of the galaxies showing flat and inverted spectra. Thanks to our investigation, we showed that radio-mode AGN activity is widespread in massive early-type galaxies, where the AGN are in the vast majority of cases in a switched-on state varying only in the intensity of their activity.

Keywords

obří eliptické galaxie, radio-mechanický režim AGN zpětné vazby, synchrotronová rádiová emise, jety a laloky, rentgenové atmosféry, giant elliptical galaxies, radio-mechanical AGN feedback, radio synchrotron emission, jets and lobes, X-ray atmospheres

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 8. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 20. 9. 2021
• Supervisor: doc. Mgr. Norbert Werner, Ph.D., Prof. Francesco Massaro
• Reader: RNDr. Michal Dovčiak, Ph.D., Francesco Tombesi

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Astrophysics