Lecciones del estudio de AGN a altas energías: absorción de rayos X y su variabilidad
This is a doctoral dissertation about the X–ray observational and theoretical study of active galactic nuclei (AGN). In the following paragraphs, the research lines addressed during my Ph. D. work are exposed. From a theoretical approach, my work belongs to the supermassive black hole (SMBH) + accretion disc paradigm for AGN. Material within the geometrically thin, optically thick disc, accretes onto the black hole, dissipating a significant amount of energy in its innermost regions due to viscous tensions. This energy is dissipated as energetic photons, most in the ultraviolet (UV) range, which gain energy in their interaction with very hot, free electrons near the disc, up to reaching the X– ray wavelength. This process is referred to as inverse Compton upscattering. The primary X–ray source is called “corona”, by analogy with the X–ray–emitting region in the Sun. Irradiation of the accretion disc by those X–rays, yields a characteristic reflection spectrum, and the fluorescent emission lines (being the FeK the most important of them). Hence, an intrincate blend of at least two spectral components is detected by our observatories in orbit: unprocessed X–rays (the so– called “continuum”, emitted by the corona), and reprocessed X–rays (result of the reflection of the continuum in the irradiated material, namely the accretion disc and the torus inner boundaries). Both components are relativistically blurred due to the proximity of the X–ray sources to the black hole. The relativistid effects involved in this process are: Doppler boosting, aberration, light bending and gravitational redshift. From an observational point of view, given the facts stated in the upper paragraph, the spectral features of each observation (especially, the relativistic iron line profile), carry valuable information of the innermost regions of AGN. Also, light curves analyses shed light on AGN intrinsic variability, providing additional information about the mechanisms producing the X–rays, about the properties of the different spectral components, and about the geometry of the emitting regions. In this regard, the interesting objects for this dissertation are unobscured AGN, i.e., those AGN that allow a direct view of their innermost regions, with the so–called “torus” of the Unification models not blocking our line of sight (LOS) to the nucleus. The data used in this thesis are both proprietary and from the XMM–Newton and Chandra archives…
Esta tesis consiste en el estudio tanto observacional como teórico de los núcleos activos de galaxias (AGN, por las siglas en inglés de active galactic nuclei), especialmente en la banda de los rayos X. A continuación expongo las líneas de investigación generales que he abordado a lo largo de este trabajo, para después profundizar en cada una de ellas. Desde un punto de vista puramente teórico, el trabajo de mi tesis doctoral se enmarca dentro del paradigma del AGN consistente en un agujero negro supermasivo central alrededor del cual se forma un disco por efecto de la gravedad. El agujero negro acrece materia desde dicho disco — geométricamente plano y delgado, físicamente denso y opaco—, favoreciendo la disipación de una fracción significativa de energía en sus regiones más internas a causa de las tensiones asociadas a la viscosidad del flujo de acrecimiento. Esta energía es disipada en forma de fotones energéticos, en su mayoría en el rango del ultravioleta, que se emiten desde las regiones más internas del disco de acrecimiento. Los fotones ultravioletas ganan energía en su interacción con electrones libres muy calientes de las capas adyacentes al disco por efecto Compton inverso, alcanzando el rango de energías de los rayos X duros, que son emitidos en todas las direcciones. Por analogía con la región del sol que emite en esta banda de energía, el material que actúa como fuente primaria de rayos X suele ser llamado «corona». La irradiación del disco de acrecimiento por estos rayos X da lugar a un característico espectro de reflexión y a las líneas de emisión fluorescente —la más importante de las cueles es la del hierro, dada su abundancia y su relativo aislamiento en el espectro—. Por consiguiente, lo que detectamos desde nuestros observatorios en órbita es una complicada mezcla de al menos dos componentes: rayos X sin procesar —el llamado «continuo», que proviene directamente de la corona—, más rayos X procesados que son producto de la reflexión de dicho continuo desde el material irradiado por el mismo—esencialmente, el disco de acrecimiento y las paredes interiores del toro—. Ambas componentes espectrales están, además, deformadas debido a los efectos relativistas que la proximidad del agujero negro imprime en el espacio tiempo, en el que están localizadas las diversas fuentes de emisión de la radiación observada: efecto Doppler, aberración, curvatura de la luz y corrimiento al rojo. Desde el punto de vista observacional, por todo lo mencionado en el párrafo anterior, las características espectrales de cada observación—y en especial la forma de la línea relativista del hierro— acarrean una valiosa información acerca de las regiones más internas de los AGN. Complementariamente, del análisis de las curvas de luz se obtiene información sobre la variabilidad intrínseca del AGN, y de ésta se puede inferir información adicional acerca de los mecanismos que producen los rayos X, sobre las propiedades de las distintas componentes espectrales y sobre la geometría de las regiones emisoras. A este respecto, los objetos de interés para mi disertación son los AGN no oscurecidos, es decir, aquellos AGN que ofrecen una visión directa de sus regiones más internas, sin que las estructuras del llamado «toro» de polvo y gas propuesto en los modelos de unificación se interpongan en nuestra línea de visión al núcleo. Los datos empleados a lo largo de esta tesis provienen tanto de observaciones propuestas ad hoc por nuestro grupo, como de los archivos de XMM–Newton y Chandra…
