The handle http://hdl.handle.net/1887/38734 holds various files of this Leiden University dissertation
Author: López Gonzaga, Noel
Title: The structure of the dusty cores of active galactic nuclei
Issue Date: 2016-04-12
Samenvatting
In sommige sterrenstelsels, wordt het licht afkomstig uit miljarden sterren die samen een sterrenstelsel vormen overschaduwt door het licht uit het centrum. Het spectrum van het centrale gebied verschilt van het spectrum van sterren en de emissie is sterk op alle golflengten. Een sterrenstelsel waarvan het centrum een enorme hoeveelheid energie uitstraalt wordt een actieve sterrenstelsel genoemd en de kernen van actieve sterrenstelsels krijgen de naam van actieve galactische kernen (AGNs).
Het is al lang beseft dat de kern van een AGN uit een superzwaar zwart gat bestaat, van bijvoorbeeld 108zonsmassa of meer, dat gas en stof aantrekt. Gas wer- velt rond deze superzware zwarte gaten in een schijf, een zogenoemde accretieschijf, voordat het gas wordt opgeslokt. De gravitatie-energie die vrijgemaakt wordt tijdens de accretie op een zwart gat is een efficiënt proces voor het omzetten van materie tot energie. De meeste sterrenstelsels hebben in superzware zwarte gaten in hun centra, maar deze hoeven niet actief te zijn, wat bijvoorbeeld het geval is in onze Melkweg.
AGNs zijn ingedeeld in meerdere klassen, waarvan de belangrijkste zijn: 1) de Seyfert melkwegstelsels, die alhoewel ze een bescheiden lichtsterkte hebben, het best bestudeerd zijn omdat ze over het algemeen niet ver van ons vandaan zijn; 2) de quasars, die ontzetend helder zijn en bijzonder talrijk zijn op grote afstanden (rood- verschuiving van ≈2). Ongeveer 10 % van de quasars hebben een sterke radiostraling, ook wel radio-luid genoemd, de rest zijn radio-rustig. De sterkte van de radiostraling wordt over het algemeen geassocieerd met een gecollimeerde relativistische uitstroom of een jet, of met regio’s waar een jet interactie heeft met omringende materiaal. Ten- slote zijn er de blazars die worden gezien als we recht in de jet van een actieve kern kijken.
Ondanks hun verschillen vertonen sommige AGNs ook gelijkenissen met elkaar.
Om een eenvoudige uitleg van de diversiteit van waargenomen spectra voor AGNs vast te stellen, werd ongeveer 20 jaar geleden een standaard model voorgesteld. In dit model delen alle AGNs dezelfde eigenschappen. Dat betekent dat ze allemaal dezelfde verwarmingsmechanismes hebben maar hun waargenomen verschillen, zoals de aanwezigheid of afwezigheid van brede emissielijnen en UV/optische emissie, wordt bepaald door een verduisteringseffect.
Het stof is een van de belangrijkste onderdelen van de unificatietheorie van AGNs.
In de striktste versie van deze theorie wordt de kern van een AGN omsingeld door een optisch dikke stoftorus en AGNs zijn in principe hetzelfde object maar waargenomen vanuit verschillende zichtlijnen. Wanneer de kern direct is waargenomen noemen we
Direct bewijs voor de aanwezigheid van een stoftorus komt door waarnemingen in het infrarood. De UV, röntgen- en radiostraling komen rechtstreeks uit de centrale regio’s rond het zwarte gat, maar het infrarode straling echter niet. Het optisch en UV licht van de accretieschijf wordt geabsorbeerd en vervolgens opnieuw uitgestraald door wolken van gas en stof die de centrale kern omringen.
Om de waargenomen infrarood continuüm emissie, spectroscopie en de infrarood- beelden van AGNs goed te kunnen interpreteren, hebben we een goed begrip nodig van de absorptie en emissie-eigenschappen van het kernomringende stof. De belang- rijkste factoren bij het begrijpen van de structuur en het aard van AGNs omvatten de bepaling van de geometrie van de nucleaire stoftorus en verduisteringseigenschap- pen van het kernomringende stof. Tevens wordt een nauwkeurige kennis vereist van de extinctie-eigenschappen van het stof om te kunnen corrigeren voor de stofsver- duistering en de intrinsieke optische/ultraviolet spectrum van de kern te kunnen reconstrueren en de fysieke omstandigheden van het stof dichtbij de kern te onthul- len.
Dit proefschrift
In dit proefschrift heb ik de nucleaire omgeving van actieve sterrenstelsels bestu- deerd door te onderzoeken wat de structuur is van de stofwolken rond een AGN. Wij profiteren van de relevante informatie verkregen via de infrarood interferometrische waarnemingen om de geometrie en de eigenschappen van de stoffige omgeving te ver- kennen. Door het analyseren van hoge resolutie infrarood waarnemingen hebben we de stofgeometrie, samenstelling en temperatuurprofiel bepaald. Hier volgt een korte samenvatting van de inhoud van elke hoofdstuk in dit proefschrift.
In hoofdstuk 2 gebruiken we mid-infrarood interferometrische waarnemingen om de grootschalige (5 – 10 pc) geometrie van de nucleaire stoffige omgeving te bepalen en een verbinding tussen de binnenste hete schijf en de externe omgeving te vinden.
De analyse is gebaseerd op een grote hoeveelheid interferometrische metingen van het sterrenstelsel NGC 1068 die verkregen zijn met behulp van de Very Large Telescope Interferometer op Paranal en het instrument MIDI . We analyseren en modelleren de interferometrische metingen zorgvuldig en reconstrueren een model van de nucle- aire infrarode omgeving. We vinden dat de infraroodstraling sterk asymmetrisch is en dat ongeveer 60 – 70 % van de 12 µm emissie afkomstig is van een grote diffuse component dichtbij de wanden van de ionisatiekegel. In tegenstelling tot de huidige modellen, waarin de hoogste percentage van de emissie het schijfachtige structuur van de klassieke torus moet traceren, is een groot deel van de nucleaire infrarode
emissie van NGC 1068 niet afkomstig uit de equatoriale omgeving.
In hoofdstuk 3 analyseren we mid-infrarood interferometrische waarnemingen van 23 objecten om te onderzoeken of er polaire emissie aanwezig is. Vorige studies van individueel waargenomen objecten, zoals NGC 1068 en Circinus, hebben laten zien dat er nucleaire polaire emissie aanwezig is in plaats van de verwachte equatori- ale emissie geproduceerd door een torusachtig object. We onderzoeken ons vermogen om langgerekte vormen te identificeren ten opzichte van de (u, v) dekking en de kwa- liteit van onze waarnemingen. Vanwege de inhomogeniteit van de interferometrische waarnemingen, hebben wij alleen langgerekte vormen geïdentificeerd in vijf Seyfert objecten en vrijwel cirkelvormige emissie in twee andere objecten. In de langwerpige objecten is de hoofd-as altijd dichterbij de pool-as dan de equatoriale-as. Een lang- gerekte polaire emissie steunt het idee van een stoffige windomgeving in plaats van de klassieke torusachtige structuur.
In hoofdstuk 4 presenteren we een statistische analyse van een steekproef van AGN met als doel om meer te leren over de algemene eigenschappen van hun nu- cleaire stoffige omgeving. Mid-infrarood interferometrische waarnemingen verkregen met het instrument MIDI missen de ware fase-informatie. Zonder de fase-informatie is het moeilijk of zelfs onmogelijk om beeldreconstructietechnieken toe te passen. Als alternatief, gebruiken we de beelden uit 3-dimensionale torusmodellen om informatie over de stoffige omgeving te extraheren. We zien dat de verschillen in type 1 en 2 objecten te complex zijn om alleen aan verduisteringseffecten of statistische variaties van de wolken toe te wijzen. In plaats daarvan zijn we wel in staat om elke Seyfert type afzonderlijk te verklaren. Het grootste verschil tussen beide ligt in de fractie van het volume ingenomen door het stof. Onze bevindingen suggereren dat tenminste twee mogelijke families van type 1 objecten bestaan, hoewel een continue overgang tussen verschillende type 1 objecten ook mogelijk is.
In hoofdstuk 5 analyseren we in detail de mid-infrarode emissie van stofwolken om meer te leren over de rol van de optische dikte, de relatieve locatie van de wolken en de verduisteringseffecten. Door het analyseren van het mid-infrarood spectraalin- dex (8 – 12,5 µm) en de pieksterkte van het silicaatemissie kunnen we een verklaring geven voor de waargenomen verschillen in type 1 AGNs. We vinden een verband tussen de spectraalindex en de gemiddelde ligging van de wolken. Onze resultaten suggereren dat de waargenomen verschillen in type 1 spectra worden veroorzaakt door variaties in de verdeling van de wolken.
produceerd wordt als gevolg van een recente variabiliteit van een röntgenbron in de kern van NGC 1068. De mid-infrarood interferometrische signalen waargenomen voor en tijdens de röntgenbron variantie vertoonden geen duidelijke veranderingen.
Dit suggereert dat de mid-infrarood omgeving van NGC 1068 geen veranderingen ondervonden heeft in de laatste tien jaar en dat de röntgenbron variatie gezien door NuStar metingen uitgelegd kan worden door het doordringen van röntgenstraling door de stofwolken.
