X-ray analysis of local mid-infrared selected Compton-thick AGN candidates

Cosmic X-ray background synthesis models (Gilli 2007) require a significant fraction of obscured AGN, some of which are expected to be heavily obscured (Compton-thick), but the number density of observationally found obscured sources is still an open issue (Vignali 2010, 2014). This thesis work takes advantage of recent NuSTAR data and is based on a multiwavelength research approach. Gruppioni et al. 2016 compared the AGN bolometric luminosity, for a sample of local 12 micron Seyfert galaxies, derived from the SED decomposition to the same quantity obtained by the 2-10 keV luminosity (IPAC-NED). A difference up to two orders of magnitude resulted between these quantities for some sources. Thus, the intrinsic X-ray luminosity obtained correcting for the obscuration may be underestimated. In this thesis we have tested this hypothesis by re-analysing the X-ray spectra of three of the sources (UGC05101, NGC1194 and NGC3079), for which observations from NuSTAR and Chandra and/or XMM-Newton were available. This is meant to extend our analysis to energies above 10 keV and thus estimate the AGN column density as reliable as possible. For spectral fitting we made use of both the commonly used XSPEC package and the two very recent MYtorus and BNtorus physical models. The available wide bandpass allowed us to achieve new and more solid insights into the X-ray spectral properties of these sources. The measured absorption column densities are highly suggestive of heavy obscuration. Once corrected the X-ray AGN luminosity for the obscuration estimated through our spectral analysis, we compared the L(X) values in the 2-10 keV band with those derived from the MIR band, by means of the relation by Gandhi, 2009. As expected, the values derived from this relation are in good agreement with those we measured, indicating that the column densities were underestimated in the previous literature works.

Attivita' non-termica nel nucleo della radiogalassia 3c84

La maggior parte dei corpi celesti che popolano l’universo emette “luce”. Ciò significa che essi sono visibili dai nostri occhi quando li alziamo sul cielo notturno o al limite, se troppo lontani, da potenti telescopi ottici. Questa luminosità ha nella maggior parte dei casi un’origine termonucleare, dovuta cioè alla presenza di sorgenti come le stelle, in cui l’elevata temperatura interna legata alle reazioni di fusione che le mantengono in vita produce una radiazione di corpo nero in banda ottica. Tuttavia, dato che la parte visibile costituisce solo una minuscola porzione dell’intero spettro elettromagnetico, andando ad indagare emissioni a differenti frequenze come il radio, l’infrarosso, l’ultravioletto, X e gamma, si rileva la presenza un’altra categoria di oggetti dalle caratteristiche peculiari che li rendono un affascinante campo di studio per molteplici ragioni: i Nuclei Galattici Attivi (AGN) (figura 1). Sono abbastanza rari (costituiscono meno dell’1% del totale rispetto alle normali galassie) e dalla vita breve, spesso molto lontani e potenti, ferventi di un’intensa attività che sembra crescere col redshift; si ipotizza perciò che siano giovani e che ci aprano una finestra sul momento successivo al collasso iniziale proprio della vita di ogni galassia, rivelandosi fondamentali per elaborare eventuali teorie cosmologiche. Inoltre, sebbene spesso ospiti di galassie visibili anche in ottico, i loro meccanismi di emissione e gli speciali comportamenti necessitano di analisi e spiegazioni totalmente differenti. Particolare è anche il metodo di rilevamento: per coprire infatti queste determinate frequenze è stata sviluppata una tecnica innovativa capace di dare ottimi risultati, perfino migliori di quelli dei telescopi tradizionali, l’interferometria radio. La tesi si divide in due parti: la prima delinea un ritratto degli AGN, la seconda analizza il flusso proveniente dalla radiogalassia 3C 84 a 15.4 e 43 GHz e ipotizza un possibile sito di origine dell’aumento di brillanza osservato.

La Controparte Ottica della "Black-Widow" nell'Ammasso Globulare M71

Le Millisecond Pulsar (MSP) sono stelle di neutroni magnetizzate e rapidamente rotanti, prodotte da fenomeni di accrescimento di massa e momento angolare da parte di una stella compagna. Secondo lo scenario canonico di formazione, è atteso che la stella compagna sia una nana bianca di He, privata del suo inviluppo esterno. Tuttavia, in un numero crescente di casi, la compagna della MSP è stata identificata in una stella di piccola massa, non degenere, ancora soggetta a fenomeni di perdita di massa. Queste MSP vengono comunemente chiamate ''Black-Widow'' (BW) e sono l'oggetto di studio di questa tesi. In particolare, l'obiettivo di questo lavoro è l'identificazione della controparte ottica della PSR J1953+1846A nell'ammasso globulare M71. Essa è classificata come BW, data la piccola massa della compagna (~0.032 Msun) e il segnale radio eclissato per circa il 20% dell'orbita. Tramite l'uso di osservazioni ad alta risoluzione con il telescopio spaziale Hubble, abbiamo identificato, in una posizione compatibile con la MSP, un debole oggetto, la cui variabilità mostra una periodicità coerente con quella del sistema binario, noto dalla banda radio. La struttura della curva di luce è indicativa della presenza di fenomeni di irraggiamento della superficie stellare esposta all'emissione della MSP e dalla sua analisi abbiamo stimato alcuni parametri fisici della compagna, come la temperatura superficiale ed il fattore di riempimento del lobo di Roche. Dal confronto tra le curve di luce X ed ottica, abbiamo inoltre trovato evidenze a favore della presenza di shocks nelle regioni intrabinarie. Abbiamo quindi evidenziato l'estrema similarità di questo sistema con l'unica compagna di BW attualmente nota in un ammasso globulare: PSR J1518+0204C. Infine, abbiamo effettuato uno studio preliminare delle controparti ottiche delle sorgenti X dell'ammasso. Abbiamo così identificato due AGN che, insieme ad altre due galassie, hanno permesso la determinazione del moto proprio assoluto delle stelle dell'ammasso.

X-Ray Free-Electron Lasers

Recenti sviluppi nella progettazione di impianti di luce di sincrotrone di quarta generazione riguardano la produzione di fasci di luce nella banda dei raggi X con elevate caratteristiche in termini di brillanza, coerenza e impulsi estremamente brevi ( femtosecondo ) . I principali schemi per la produzione della radiazione XFEL riguardano l’impiego di ondulatori con differenti modalità di seeding. L’utilizzo dei fasci di radiazione XFEL nelle linee di luce per applicazioni di imaging, spettroscopia e diffrazione, ha determinato un costante sforzo sia nello sviluppo di dispositivi ottici in grado di selezionare e focalizzare il fascio su dimensioni nanometriche, che nella sperimentazione di tecniche “lensless” in grado di superare i limiti imposti dall’utilizzo di tali dispositivi . I risultati ottenuti nella produzione dei fasci hanno consentito nuove possibilità di indagine nella struttura dei materiali su distanze atomiche nella definizione, senza precedenti di dettagli su scale temporali del femtosecondo, permettendo lo studio, non solo di strutture atomiche in condizioni di equilibrio stabile quanto di stati della materia velocemente dinamici e di non equilibrio. CXDI e Spettroscopia Strutturale Ultraveloce risolte in tempo sono alcune delle tecniche in cui l’utilizzo della radiazione XFEL apre nuove possibilità di indagine agli stati transienti della materia permettendo la ricostruzione della dinamica di processi chimico –fisici su intervalli temporali finora inaccessibili .

IRAS 00183-7111: ALMA and X-ray view of an ultra luminous infrared galaxy

The aim of this Thesis work is to study the multi-frequency properties of the Ultra Luminous Infrared Galaxy (ULIRG) IRAS 00183-7111 (I00183) at z = 0.327, connecting ALMA sub-mm/mm observations with those at high energies in order to place constraints on the properties of its central power source and verify whether the gas traced by the CO may be responsible for the obscuration observed in X-rays. I00183 was selected from the so-called Spoon diagnostic diagram (Spoon et al. 2007) for mid-infrared spectra of infrared galaxies based on the equivalent width of the 6.2 μm Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) emission feature versus the 9.7 μm silicate strength. Such features are a powerful tool to investigate the contribution of star formation and AGN activity in this class of objects. I00183 was selected from the top-left region of the plot where the most obscured sources, characterized by a strong Si absorption feature, are located. To link the sub-mm/mm to the X-ray properties of I00183, ALMA archival Cycle 0 data in Band 3 (87 GHz) and Band 6 (270 GHz) have been calibrated and analyzed, using CASA software. ALMA Cycle 0 was the Early Science program for which data reprocessing is strongly suggested. The main work of this Thesis consisted in reprocessing raw data to provide an improvement with respect to the available archival products and results, which were obtained using standard procedures. The high-energy data consists of Chandra, XMM-Newton and NuSTAR observations which provide a broad coverage of the spectrum in the energy range 0.5 − 30 keV. Chandra and XMM archival data were used, with an exposure time of 22 and 22.2 ks, respectively; their reduction was carried out using CIAO and SAS software. The 100 ks NuSTAR are still private and the spectra were obtained by courtesy of the PI (K. Iwasawa). A detailed spectral analysis was done using XSPEC software; the spectral shape was reproduced starting from simple phenomenological models, and then more physical models were introduced to account for the complex mechanisms that involve this source. In Chapter 1, an overview of the scientific background is discussed, with a focus on the target, I00183, and the Spoon diagnostic diagram, from which it was originally selected. In Chapter 2, the basic principles of interferometry are briefly introduced, with a description of the calibration theory applied to interferometric observations. In Chapter 3, ALMA and its capabilities, both current and future, are shown, explaining also the complex structure of the ALMA archive. In Chapter 4, the calibration of ALMA data is presented and discussed, showing also the obtained imaging products. In Chapter 5, the analysis and discussion of the main results obtained from ALMA data is presented. In Chapter 6, the X-ray observations, data reduction and spectral analysis are reported, with a brief introduction to the basic principle of X-ray astronomy and the instruments from which the observations were carried out. Finally, the overall work is summarized, with particular emphasis on the main obtained results and the possible future perspectives.

Heavily obscured AGN: an ideal laboratory to study the early co-evolution of galaxies and black holes

Obscured AGN are a crucial ingredient to understand the full growth history of super massive black holes and the coevolution with their host galaxies, since they constitute the bulk of the BH accretion. In the distant Universe, many of them are hosted by submillimeter galaxies (SMGs), characterized by a high production of stars and a very fast consumption of gas. Therefore, the analysis of this class of objects is fundamental to investigate the role of the ISM in the early coevolution of galaxies and black holes. We present a multiwavelength study of a sample of six obscured X-ray selected AGN at z>2.5 in the CDF-S, detected in the far-IR/submm bands. We performed the X-ray spectral analysis based on the 7Ms Chandra dataset, which provides the best X-ray spectral information currently available for distant AGN. We were able to place constraints on the obscuring column densities and the intrinsic luminosities of our targets. Moreover, we built up the UV to FIR spectral energy distributions (SEDs) by combining the broad-band photometry from CANDELS and the Herschel catalogs, and analyzed them by means of an SED decomposition technique. Therefore, we derived important physical parameters of both the host galaxy and the AGN. In addition, we obtained, through an empirical calibration, the gas mass in the host galaxy and assessed the galaxy sizes in order to estimate the column density associated with the host ISM. The comparison of the ISM column densities with the values measured from the X-ray spectral analysis pointed out that the contribution of the host ISM to the obscuration of the AGN emission can be substantial, ranging from ~10% up to ~100% of the value derived from the X-ray spectra. The absorption may occur at different physical scales in these sources and, in particular, the medium in the host galaxy is an ingredient that should be taken into account, since it may have a relevant role in driving the early co-evolution of galaxies with their black holes.

Studio multi-banda dal sub-parsec al kilo-parsec dell'emissione del getto nella radio galassia IC 1531

In questo lavoro di tesi si presenta il primo studio multi-scala e multi-frequenza focalizzato sul getto della radiogalassia IC1531 (z=0.026) con i satelliti Chandra, XMM-Newton e Fermi con l’obiettivo di tracciarne l’emissione alle alte energie; definire i processi radiativi responsabili dell’emissione osservata e stimare i principali parametri fisici del getto; stimare l’energetica del getto alle diverse scale. La sorgente è stata selezionata per la presenza di un getto esteso (≈5’’) osservato in radio e ai raggi X, inoltre, era riportata come possibile controparte della sorgente gamma 3FGLJ0009.6-3211 presente nel terzo catalogo Fermi (3FGL). La presenza di emissione ai raggi γ, confermata dal nostro studio, è importante per la modellizzazione della SED della regione nucleare. L’emissione X del nucleo è dominata da una componente ben riprodotta da una legge di potenza con indice spettrale Γ=2.2. L’analisi dell’emissione in banda gamma ha evidenziato una variabilità su scale di 5 giorni, dalla quale è stato possibile stimare le dimensioni delle regione emittente. Inoltre viene presentato lo studio della distribuzione spettrale dell’energia della regione nucleare di IC 1531 dalla banda radio ai raggi γ. I modelli ci permettono di determinare la natura dell’emissione gamma e stimare la potenza cinetica del getto a scale del su-pc. Gli osservabili sono stati utilizzati per ottenere le stime sui parametri del modello. La modellizzazione così ottenuta ha permesso di stimare i parametri fisici del getto e la potenza trasportata del getto a scale del sub-pc. Le stime a 151MHz suggerisco che il getto abbia basse velocita' (Γ≤7) e angolo di inclinazione rispetto alla linea di vista 10°<ϑ<20°; nel complesso, il trasporto di energia da parte del getto risulta efficiente. L’origine dell’emissione X del getto a grandi scale è consistente con un’emissione di sincrotrone, che conferma la classificazione di IC1531 come sorgente di bassa potenza MAGN.

Investigating the AGN-starburst connection in a nearby Seyfert galaxy with ALMA and multiwavelength data

The astrophysical context in which this thesis project lies concerns the comprehension of the mutual interaction between the accretion onto a Super Massive Black Hole (SMBH) and the Star Formation (SF), that take place in the host galaxy. This is one of the key topic of the modern extragalactic astrophysical research. Indeed, it is widely accepted that to understand the physics of a galaxy, the contribution of a possible central AGN must be taken into account. The aim of this thesis is the study of the physical processes of the nearby Seyfert galaxy NGC 34. This source was selected because of the wide collection of multiwavelength data available in the literature. In addition, recently, it has been observed with the Atacama Large Submillimeter/Millimeter Array (ALMA) in Band 9. This project is divided in two main parts: first of all, we reduced and analyzed the ALMA data, obtaining the continuum and CO(6-5) maps; then, we looked for a coherent explaination of NGC 34 physical characteristics. In particular, we focused on the ISM physics, in order to understand its properties in terms of density, chemical composition and dominant radiation field (SF or accretion). This work has been done through the analysis of the spectral distribution of several CO transitions as a function of the transition number (CO SLED), obtained joining the CO(6-5) line with other transitions available in the literature. More precisely, the observed CO SLED has been compared with ISM models, including Photo-Dissociation Regions (PDRs) and X-ray-Dominated Regions (XDRs). These models have been obtained through the state-of-the-art photoionization code CLOUDY. Along with the observed CO SLED, we have taken into account other physical properties of NGC 34, such as the Star Formation Rate (SFR), the gas mass and the X-ray luminosity.