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Author: López Gonzaga, Noel
Title: The structure of the dusty cores of active galactic nuclei
Issue Date: 2016-04-12
Resumen
La emisión producida en la región central de algunas galaxias excede la emisión total de las miles de millones de estrellas que conforman dicha galaxia. El espectro observado de dichas regions centrales, cuyo tamaño es de unos cuantos parsecs, es diferente al espectro que típicamente se observa en las estrellas y la emisión es muy brillante en todas las longitudes de onda. A las galaxias cuya región central emite una cantidad extremadamente alta de energía se les denomina Galaxias activas y las regiones centrales de dichas galaxias activas son llamados núcleos activos de galaxias (AGNs por sus siglas en ingles).
Los núcleos de los AGNs están conformados por un agujero negro supermasivo, con masas típicas del orden de 108masas solares, que acreta gas y polvo. El gas circula en forma de espiral alrededor del agujero negro formando un disco, denominado disco de acreción, antes de que el gas sea tragado por el agujero negro. El mecanismo de acreción en un agujero negro es un proceso eficiente para convertir la materia en energía. La mayoría de las galaxias tienen un agujero negro supermasivo en sus centros pero este no necesariamente tiene que estar activo, como sucede en nuestra Via Lactea.
Los núcleos activos de galaxias estan divididos en diferentes clases, de los cuales los mas relevantes son: 1) Las galaxias Seyfert, que a pesar de tener luminosidades moderadas son las mejores estudiadas ya que éstas se encuentran relativamente cerca de nosotros; 2) Los cuásares tienen luminosidades muy altas y en general son mas abundantes a distancias lejanas, es decir, a corrimientos al rojo mayores a dos. Al- rededor del 10 % de los cuásares muestran emisión prominente en radio, los cuales se denominan como objectos radio-fuertes, el resto son radio-debiles. La fuerza de la emisión en radio es por lo general asociada a el flujo relativista colimado o con regiones donde existe una interacción del jet con la materia que lo rodea. Finalmente, los blazares son AGNs cuyo jet apunta directamente al observador.
A pesar de sus diferencias algunos AGNs también muestran similitudes entre sí.
Hace aproximadamente unos 20 años se propuso un esquema de unificación con el fin de encontrar una explicación simple a la diversidad de los espectros observados de los AGNs. En dicho esquema todos los AGNs comparten las mismas propiedades.
Esto significa que todos deben tener el mismo mecanismo de calentamiento pero las diferencias observadas, tales como la presencia o ausencia de líneas anchas de emisión o la emisión continua en el óptico y ultravioleta, son atribuidas a un efecto de inclinación.
de los AGNs. En la versión más estricta de ésta teoría, la región nuclear de un AGN está rodeada por un toro de polvo ópticamente grueso. Este toro determina el tipo de AGN dependiendo de la linea de visión por donde se observa. Los objetos tipo 1 se denominan si el núcleo se observa directamente y objetos tipo 2 si el núcleo es bloqueado por el polvo.
Evidencia directa de la existencia de éste toro de polvo proviene de las observa- ciones en el infrarrojo. La emisión de altas energías y la emisión en radio proviene directamente de las regiones centrales que rodean al agujero negro pero la emisión en el infrarrojo es generada de manera indirecta. La emisión óptica y ultravioleta producida por el disco de acreción es absorbida y subsecuentemente emitida por las nubes de gas y polvo que rodean al disco de acreción.
Para poder interpretar de mejor manera la emisión continua en el infrarrojo, la información proporcionada por la espectroscopía y las imagenes en el infrarrojo de los AGNs, necesitamos tener un buen conocimiento de los mecanismos de absorción y emisión del polvo. Los factores determinantes para el entendimiento de la estruc- tura y el origen de los AGNs incluyen la determinación de la geometría del toro y las propiedades de extinción del polvo. También es necesario tener un conocimiento exacto de las propiedades de extinción del polvo para poder efectuar una corrección del oscurecimiento ocasionado por el polvo con el fin de reconstruir el espectro ópti- co y ultravioleta intrínseco del núcleo y poder determinar las condiciones físicas del ambiente cercano al núcleo.
Éste trabajo
En ésta tesis he estudiado el entorno nuclear de galaxias activas al investigar la estructura del las nubes de polvo que rodean al AGN. Para esto hemos aprovechado la información proporcionada por las observaciones interferométricas en el infrarrojo para explorar la geometría y las propiedades de la región con polvo. Mediante el aná- lisis de las observaciones infrarrojas de alta resolución angular hemos determinado la geometría de la estructura de polvo, composición química y el perfil de temperatura.
Acontinuación presentamos un breve resumen del contenido de cada capítulo.
En el capítulo 2 utilizamos observaciones interferométricas en el infrarrojo medio para develar la geometría a grandes escalas (5 – 10 pc) del ambiente nuclear confor- mado por el polvo con el fin de encontrar una conexión entre el disco interior caliente y el medio que lo rodea. El análisis ésta basado en una gran cantidad de mediciones interferométricas de la galaxia NGC 1068 obtenidas utilizando el Interferómetro del Very Large Telescope en el Observatorio de Paranal y el instrumento MIDI. En éste
capítulo analizamos y modelamos las mediciones interferométricas cuidadosamente y reconstruimos una imagen de la región nuclear en el infrarrojo. Encontramos que la emisión infrarroja es altamente asimétrica y que alrededor del 60 – 70 % de la emisión en 12 µm proviene de una gran componente difusa situada a lo largo de las paredes del cono de ionización. A diferencia de los modelos actuales, en los cuales la mayor parte de la emisión en el infrarrojo proviene de una estructura en forma de disco la cual traza el clásico toro de polvo, en NGC 1068 la mayor parte de la emisión infrarroja nuclear no contribuye a la emisión ecuatorial.
En el capítulo 3 analizamos observaciones interferométricas en el infrarrojo me- dio de 23 objetos con el fin de investigar si la emisión polar está presente en dichos objetos. Previos estudios de objetos individuales, tales como NGC 1068 y la galaxia Circinus, han mostrado la existencia de emisión nuclear polar en lugar de la emi- sión ecuatorial producida por una estructura toroidal. En este capítulo investigamos nuestra capacidad para identificar formas elongadas en función de la cobertura del plano (u, v) y la calidad de nuestras observaciones. Debido a la inhomogéneidad de las mediciones interferométricas sólo hemos podido identificar formas elongadas en cinco objetos Seyfert y emisión casi circular en otros dos objectos. En los objetos elongados, la dirección del eje mayor se encuentra por lo general más cerca del eje polar que del eje ecuatorial. Una emisión polarmente elongada apoya la idea de en los AGNs exista un viento de polvo en lugar de la estructura toroidal clásica.
En el capítulo 4 se presenta un análisis estadístico de una muestra de AGNs con el objetivo de incrementar nuestro conocimiento sobre las propiedades generales del ambiente nuclear conformado por el polvo. Observaciones interferométricas en el infrarrojo medio obtenidas con el instrumento MIDI carecen de información acerca de la fase del número complejo. Sin información sobre la fase es difícil o incluso im- posible aplicar técnicas de reconstrucción de imágenes. Como alternativa, utilizamos imágenes producidas a partir de modelos tridimensionales del toro de polvo con el fin de recuperar información sobre el ambiente nuclear. Hemos encontrado que las diferencias en objetos tipo 1 y tipo 2 son demasiado complejas para poder ser atri- buidas unicamente a efectos de inclinación o variaciones estadísticas de las nubes. Sin embargo, hemos sido capaces de explicar cada tipo Seyfert por separado. La mayor diferencia entre los dos tipos se encuentra en la fracción de volumen ocupado por el polvo. Nuestros hallazgos sugieren que se necesitan al menos dos posibles familias de objetos tipo 1, aunque no podemos descartar que exista una transición continua entre dichos objetos.
En el capítulo 5 analizamos en detalle la emisión en el infrarrojo medio de las nubes de polvo con el fin de aprender más sobre la relevancia del espesor óptico, la
lizar el índice espectral del infrarrojo medio (8 – 12.5 µm) y la amplitud del pico de emisión de los silicatos hemos sido capaces de proporcionar una explicación para las diferencias observadas en los objetos tipo 1. Encontramos que existe una correlación entre el índice espectral y la ubicación media de las nubes. Nuestros resultados su- gieren que las diferencias observadas en los espectros de objetos tipo 1 son causadas por las variaciones en la distribución de las nubes.
Finalmente, en el capítulo 6 investigamos la existencia de alguna señal en el infrarrojo producida como consecuencia de un evento reciente de variabilidad en los rayos X proveniente de la región nuclear de NGC 1068. Las señales interferométricas en el infrarrojo medio observadas antes y durante las variaciones de rayos X no mues- tran cambios claros. Esto sugiere que el entorno del infrarrojo medio de NGC 1068 se ha mantenido constante durante los últimos 10 años. Nuestras mediciones inter- ferométricas apoyan la idea de que la variación de rayos X, detectada por NuSTAR, es debido al escape de los rayos X a través de las nubes que conforman la región nuclear.
