On the variable nature of low luminosity active galactic nuclei

Abstract

Los núcleos activos de galaxias (AGN, de sus siglas en inglés) emiten energías del orden de 1044 erg/s en regiones muy compactas, siendo uno de los fenómenos más energéticos de todo el Universo. Hoy en día, la teoría más aceptada es que este fenómeno es consecuencia de la acreción de materia sobre un agujero negro supermasivo.

Esta tesis está centrada en el estudio de la variabilidad del extremo de los AGN de más baja luminosidad (LLAGN), los LINERs (low ionization nuclear emission line regions) y las conocidas galaxias Seyfert. A su vez se compara el comportamiento de ambas familias de AGN. Mientras que los núcleos Seyfert fueron descubiertos en 1943 y se caracterizan porque el núcleo produce líneas espectrales de emisión de gas altamente ionizado, hubo que esperar hasta 1980 para que Heckman descubriese los LINERs y los clasificase como una subcategoría de AGN, cuyos espectros ópticos presentan un estado de ionización más bajo que las Seyfert. El estudio de AGN en rayos X es ideal puesto que el núcleo es accesible en este rango de frecuencias y además el efecto de oscurecimiento es mucho menor comparado con el ultravioleta (UV), óptico o infrarrojo cercano. Es por ello que los datos presentados en esta tesis son principalmente en rayos-X, aunque complementados con información simultánea en frecuencias UV.

La variabilidad es una propiedad que caracteriza a los AGN de alta potencia, que muestran variaciones en todo el espectro electromagnético, y permite inferir sobre sus propiedades físicas. Si bien esto está establecido para las galaxias Seyfert, no es algo obvio en LINERs, para los que solamente se ha estudiado una pequeña muestra de objetos tipo 1 en rayos X o una muestra algo más grande en el UV. Además, al comenzar esta tesis no se conocía cuál es el mecanismo físico que origina las variaciones en este tipo de AGN, que es uno de los principales objetivos de esta tesis.

Para analizar la variabilidad en rayos X, se ha elaborado un método que permite estudiar variaciones a corta y larga escala. Las variaciones a larga escala se analizan ajustando todos los espectros de un mismo objeto con el mismo modelo. La variabilidad a corta escala se obtiene del análisis de las curvas de luz, que se analizan de manera estándar. Esto nos permite estimar tanto las variaciones en flujo como las variaciones espectrales, lo que sirve para conocer el patrón de variabilidad y permite a su vez inferir propiedades físicas de estos objetos. Para este estudio se han utilizado datos públicos de los satélites de rayos-X Chandra y XMM-Newton en diferentes épocas. Además, con XMM-Newton se puede obtener de forma simultánea información sobre variabilidad en rayos X y UV. La metodología se explica en detalle en el Capítulo 2 (ver también Hernández-García et al. 2013).

Primero se aplicó la metodología a una muestra de 18 núcleos LINERs, incluyendo tipos 1 (en realidad son todos tipo 1.9) y 2 (Capítulo 2). Se clasificaron los núcleos como AGN (no-AGN) cuando mostraban una fuente puntual (o no) en la banda de energía 4.5-8.0 keV, siguiendo el trabajo de González-Martín et al. (2009). De entre toda la muestra, tres LINERs fueron clasificados como no-AGN, todos ellos siendo candidatos a Compton-thick (esto es, que están oscurecidos por columnas de densidad muy altas, mayores de 1024 cm-2), ninguno muestra variaciones en rayos-X y dos de ellos varían en el UV. Ninguno de los núcleos muestra variaciones a corta escala (entre horas y días), mientras que más de la mitad de los clasificados como AGN varían en escalas temporales largas (entre meses y años). Estas variaciones son principalmente debidas a cambios intrínsecos de las fuentes, mientras que solamente una galaxia muestra variaciones en la columna de densidad - lo que estaría directamente relacionado con cambios en la densidad del toro de polvo o la región de líneas anchas (BLR, de sus siglas en inglés). El estudio en UV muestra que este tipo de galaxias son variables a frecuencias UV. Así, se encuentra que los LINERs son objetos variables en rayos-X y UV. Además, de acuerdo a las masas de sus agujeros negros, tasas de acreción, y escalas temporales de variabilidad, encontramos que los LINERs siguen el mismo plano de variabilidad (MBH-Lbol-TB) que otros AGN más luminosos en rayos X. También hemos estudiado el mecanismo de acreción a partir de la relación entre el índice de la ley de potencias y el cociente de Eddington, donde se aprecia una anticorrelación, indicando que la acreción podría ser ineficiente (comparada con la acreción eficiente que se encuentra para objetos más luminosos). Los resultados derivados de este estudio han sido publicados en Hernández-García et al. (2014).

La variabilidad es una propiedad que caracteriza a los AGN de alta potencia, que muestran variaciones en todo el espectro electromagnético, y permite inferir sobre sus propiedades físicas. Si bien esto está establecido para las galaxias Seyfert, no es algo obvio en LINERs, para los que solamente se ha estudiado una pequeña muestra de objetos tipo 1 en rayos X o una muestra algo más grande en el UV. Además, al comenzar esta tesis no se conocía cuál es el mecanismo físico que origina las variaciones en este tipo de AGN, que es uno de los principales objetivos de esta tesis.

Para analizar la variabilidad en rayos X, se ha elaborado un método que permite estudiar variaciones a corta y larga escala. Las variaciones a larga escala se analizan ajustando todos los espectros de un mismo objeto con el mismo modelo. La variabilidad a corta escala se obtiene del análisis de las curvas de luz, que se analizan de manera estándar. Esto nos permite estimar tanto las variaciones en flujo como las variaciones espectrales, lo que sirve para conocer el patrón de variabilidad y permite a su vez inferir propiedades físicas de estos objetos. Para este estudio se han utilizado datos públicos de los satélites de rayos-X Chandra y XMM-Newton en diferentes épocas. Además, con XMM-Newton se puede obtener de forma simultánea información sobre variabilidad en rayos X y UV. La metodología se explica en detalle en el Capítulo 2 (ver también Hernández-García et al. 2013).

Primero se aplicó la metodología a una muestra de 18 núcleos LINERs, incluyendo tipos 1 (en realidad son todos tipo 1.9) y 2 (Capítulo 2). Se clasificaron los núcleos como AGN (no-AGN) cuando mostraban una fuente puntual (o no) en la banda de energía 4.5-8.0 keV, siguiendo el trabajo de González-Martín et al. (2009). De entre toda la muestra, tres LINERs fueron clasificados como no-AGN, todos ellos siendo candidatos a Compton-thick (esto es, que están oscurecidos por columnas de densidad muy altas, mayores de 1024 cm-2), ninguno muestra variaciones en rayos-X y dos de ellos varían en el UV. Ninguno de los núcleos muestra variaciones a corta escala (entre horas y días), mientras que más de la mitad de los clasificados como AGN varían en escalas temporales largas (entre meses y años). Estas variaciones son principalmente debidas a cambios intrínsecos de las fuentes, mientras que solamente una galaxia muestra variaciones en la columna de densidad - lo que estaría directamente relacionado con cambios en la densidad del toro de polvo o la región de líneas anchas (BLR, de sus siglas en inglés). El estudio en UV muestra que este tipo de galaxias son variables a frecuencias UV. Así, se encuentra que los LINERs son objetos variables en rayos-X y UV. Además, de acuerdo a las masas de sus agujeros negros, tasas de acreción, y escalas temporales de variabilidad, encontramos que los LINERs siguen el mismo plano de variabilidad (MBH-Lbol-TB) que otros AGN más luminosos en rayos X. También hemos estudiado el mecanismo de acreción a partir de la relación entre el índice de la ley de potencias y el cociente de Eddington, donde se aprecia una anticorrelación, indicando que la acreción podría ser ineficiente (comparada con la acreción eficiente que se encuentra para objetos más luminosos). Los resultados derivados de este estudio han sido publicados en Hernández-García et al. (2014).