Obscured and Compton-thick AGN in NuSTAR hard X-ray surveys

149 Pages·2017·7.15 MB·English

ALMA MATER STUDIORUM
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
DIPARTIMENTO DI FISICA E ASTRONOMIA
Dottorato di Ricerca in Astrofisica
CICLO XXX
Obscured and Compton-thick AGN in
NuSTAR hard X-ray surveys
Candidato: Supervisore:
Alberto MASINI Dr. Andrea COMASTRI
Coordinatore:
Prof. Francesco FERRARO
Esamefinaleanno2018
SettoreConcorsuale02/C1–Astronomia,Astrofisica,FisicadellaTerraedeiPianeti
SettoreScientifico-Disciplinare: FIS/05–AstronomiaeAstrofisica

iii
“Assoonasmanseekstopenetratethesecretsofnature-inwhichnothingissecretand
itisbutaquestionofseeing-herealizesthatthesimpleproducesthesupernatural.”
HonoredeBalzac

Abstract
Questa Tesi di dottorato sviluppa un progetto di ricerca selezionato e finanziato
daINAF(IstitutoNazionalediAstrofisica)all’internodell’accordoformaletraINAFe
UniversitàdiBolognaperilprogrammadiDottoratoinAstrofisica.
Il progetto riguarda survey di nuclei galattici attivi (AGN) nei raggi X duri (fino
a qualche decina di keV) con il telescopio NuSTAR. Uno dei principali obbiettivi della
missioneNuSTARèquellodistudiareconincredibiledettagliolapopolazionediAGN
oscurati e molto oscurati (chiamati Compton-thick, CT), che contribuiscono in modo
significativoall’emissionediffusadelfondocosmicoaraggiX(CXB),eimportantiattori
nelcicloevolutivodellegalassie.
La Tesi si struttura quindi con un approccio locale-distante: nella prima parte,
si presenta uno studio di un piccolo campione (circa una dozzina) di AGN locali (z<
0.03), molto oscurati, selezionati a causa della loro emissione da megamaser d’acqua
a ∼22.23 GHz. Tale selezione è motivata dalla nota correlazione tra la presenza di
emissionedamegamasercongeometriaadisco,eoscuramentoneiraggiX,giànotain
letteratura. Grazie alla banda larga di NuSTAR nei raggi X duri (che si estende tra
∼3−80keV),siottieneunamisurarobustadellafrazionedisorgentiCT.Partendoda
questorisultatoecombinandomisureneiraggiXenellabandaradio,vienepropostoe
sviluppatounsemplicemodelloanaliticodellaconnessionetraildiscomegamasereil
toro;talemodellovieneusatoperpredirelacolonnadimaterialecheassorbeiraggiX
dalle mappe radio ottenute con l’interferometro VLBI. Anche se semplicistico, il mod-
ellocollegainmanieranaturalel’emissionedamegamaserdadiscoconl’assorbimento
CTinAGNlocali.
Un seguito del progetto sui megamaser è legato ad uno studio di variabilità, fo-
calizzato su un ben noto AGN locale oscurato (Mrk1210, noto anche come la Galassia
Fenice),evotatoallostudiodellasuavariabilitàXalungotermine(∼17anni)usando
NuSTAR, grazie al quale si possono ottenere alcune indicazioni sull’ambiente vicino
all’AGN basandosi sull’intensità della componente di riflessione presente nello spet-
tro X della sorgente. La discussione viene poi conclusa presentando alcuni esempi su
come l’oscuramento CT sia variegato e variabile, e non sempre legato alla presenza di
righedelferrocongrandelarghezzaequivalente. Lacomplessitàdell’oscuramentoCT
complica ulteriormente la ricerca di AGN CT nell’universo più distante, dove si trova
ilpiccodell’accrescimentooscuratocosmico(1<z<2).
La ricerca e caratterizzazione di AGN CT con NuSTAR viene quindi spinta a red-
shift maggiori, sfruttando appieno le potenzialità di NuSTAR in termini di sensibilità
erispostaneiraggiXduri. LaricercadiAGNoscuratidebolielontanivienecompiuta
sfruttando la copertura combinata nei raggi X di NuSTAR, XMM-Newton e Chandra
nel campo UKIDSS-UDS. Si presenta la strategia della survey profonda, insieme alla
modellizzazione del background di NuSTAR, per ottimizzare la detezione di sorgenti
deboli. Dopo aver accuratamente valutato ogni caso di blending tra sorgenti vicine,
la frazione di detezioni spurie, e le controparti ottiche alle sorgenti X rivelate, viene
vi
eseguitaun’analisispettraleXalargabandadituttoilcampione,combinandolaconla
diagnosticastandarddaHardnessRatio(HR),perincludereognipotenzialecandidato
CT. Questi candidati CT vengono poi ri-analizzati con modelli spettrali appropriati,
specificatamentesviluppatiperstudiaresorgentiCT.
L’ultimocapitolopresentaleconclusionieleprospettivefuturedelprogettodiTesi.
This Thesis has been devoted to a research project selected and funded by INAF
(the Italian National Institute for Astrophysics) within the framework of the formal
agreement between INAF and the Bologna University for the PhD program in Astro-
physics.
It focuses on NuSTAR hard (up to several tens of keV) X-ray surveys of Active
GalacticNuclei(AGN).OneofthemajorgoalsoftheNuSTARmissionistostudywith
unprecedented detail the obscured and heavily obscured (Compton-thick, CT) popula-
tionsofAGN,significantlycontributingtothediffusecosmicX-raybackground(CXB),
andmajoractorswithintheevolutionarycycleofgalaxies.
ThisThesisisthenstructuredwithalocal-to-distantapproach: inthefirstpart, a
surveyofasmallsample(∼adozen)oflocal(z<0.03)heavilyobscuredAGN,selected
bytheirwatermegamaseremissionat∼22.23GHz,ispresented. Theselectionfollows
fromaknowncorrelationbetweenthemegamaseremissionwithadiskgeometryand
X-ray obscuration already explored in the literature. Thanks to the NuSTAR hard
X-ray spectral coverage (extending between ∼ 3−80 keV), a robust estimate of the
CT fraction is obtained. Building up on this result and combining X-ray and radio
measurements, a toy model of the dusty megamaser disk within the classical dusty
torusisproposed,anddevelopedinordertopredicttheX-rayabsorbingcolumndensity
from radio VLBI maps. Despite simplistic, the model connects in a natural way the
megamaseremissionwiththeCTabsorptioninlocalAGN.
A spin-off of the megamaser project is related to variability, focusing on a well-
known local obscured AGN (Mrk1210, a.k.a. the Phoenix Galaxy) and devoted to
studying its long-term (∼17 yrs) X-ray variability with NuSTAR, from which some
constraintsontheAGNenvironmentcanbedrawnbasedonthestrengthofthereflec-
tion component in the X-ray spectrum of the source. The discussion is then concluded
presenting few examples on how CT obscuration can be variegate and variable, and
not always related to the presence of high equivalent width ((cid:38)1 keV) iron lines. The
complexity of CT obscuration challenges the search for CT AGN in the more distant
Universe,wherethepeakofobscuredaccretionlies(1<z<2).
The search for, and the characterization of, CT AGN is then pushed to higher red-
shifts,fullyexploitingtheNuSTARX-raycapabilitiesintermsofsensitivityandhard
X-rayresponse. ThehuntforfaintanddistantheavilyobscuredAGNisperformedex-
ploitingthecombinedNuSTAR,XMM-NewtonandChandracoveragesoftheUKIDSS-
UDS field. The deep NuSTAR survey strategy is presented, along with the modeling
vii
of the NuSTAR background in order to optimize the detection of faint sources. Care-
fullyevaluatingtheblendingofsources,spuriousfraction,andopticalcounterparts,a
broadband X-ray spectroscopic analysis of all the detected sources is performed, and
combined with the standard hardness ratio (HR) diagnostic, in order to select all the
possibleCTcandidates. SuchCTcandidatesarethenanalyzedagainwithappropriate
X-rayspectralmodelsspecificallydevelopedtodealwithCTabsorbers.
ThelastChapterpresentstheconclusionsandfutureprospectsfortheproject.

ix
Related publications
Firstauthorpublications
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