Identification of active galactic nuclei through different selection techniques
Authors: Πουλιάσης Έκτορας 
Published: September 2021

Οι πιο πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι σχεδόν όλοι οι γαλαξίες στο κοντινό Σύμπαν περιέχουν Υπέρ-Μεγέθεις Μελανές Οπές (ΥΜΜΟ) στο κέντρο τους. Οι ΥΜΜΟ είναι υπεύθυνες για τα πιο δυναμικά φαινόμενα στο Σύμπαν, τους Ενεργούς Γαλαξιακούς Πυρήνες (ΕΓΠ). Όταν ύλη πέφτει στις ΥΜΜΟ, εκλύεται ισχυρή ακτινοβολία σε όλα τα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η πλήρης καταγραφή των διάφορων πληθυσμών των ΕΓΠ και η κατασκευή δειγμάτων με μεγάλη στατιστική πληρότητα είναι απαραίτητα στην κατανόηση της εξέλιξης των μελανών οπών και των γαλαξιών στην ιστορία του Σύμπαντος. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην σύγκριση διαφορετικών τεχνικών ανίχνευσης ΕΓΠ. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ανίχνευσης ΕΓΠ βασισμένες σε φωτομετρικά και φασματοσκοπικά δεδομένα, που προέρχονται από διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (οπτικό, υπέρυθρο, ακτίνες Χ), καθώς και τεχνικές που βασίζονται στην μεταβολή της ροής. Συγκρίνοντας όλες τις μεθόδους μεταξύ τους, μελετήθηκαν οι παρατηρησιακές και φυσικές ιδιότητες των ΕΓΠ. Το συμπέρασμα που απορρέει είναι ότι οι διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των ΕΓΠ είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους και εξίσου σημαντικές για τον σχηματισμό της πλήρους εικόνας των δημογραφικών στοιχείων των ΕΓΠ. Η διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε τρία διακριτά μέρη ανάλογα με τα πεδία που μελετήθηκαν και τις τεχνικές που εφαρμόστηκαν: Α. Ανίχνευση ΕΓΠ με τη μέθοδο μεταβολής της ροής στο οπτικό φίλτρο z στο πεδίο GOODS South: Σύγκριση με τα επιλεγμένα ΕΓΠ στο υπέρυθρο και τις ακτίνες ΧΗ ανίχνευση των ΕΓΠ μέσω της εκπομπής τους στις ακτίνες Χ είναι αποτελεσματική για την εύρεση ενός μεγάλου δείγματος ΕΓΠ. ́Ομως, υπάρχει η δυνατότητα μη εντοπισμού των πιο αμυδρών πηγών. ́Ενας εναλλακτικός τρόπος είναι η μεταβλητότητα της ροής τους σε όλα τα μήκη κύματος, η οποία αποτελεί βασική ιδιότητα των ΕΓΠ και έχει αποδειχθεί ότι είναι μια αξιόπιστη μέθοδος για την εύρεσή τους, περιλαμβανομένων των ΕΓΠ μικρής φωτεινότητας. Στο πεδίο GOODS-South ανιχνεύθηκαν όλες οι μεταβλητές πηγές χρησιμοποιώντας έναν νέο δείκτη μεταβλητότητας (μέση τυπική απόκλιση) των καμπυλών φωτός όλων των πηγών στο πεδίο. Για την κατασκευή των καμπυλών φωτός χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Για την διαχείριση και ανάλυση των εικόνων, δημιουργήθηκε ένα πρόγραμμα, το όποιο αυτόματα καθαρίζει τις εικόνες από κοσμικές ακτίνες, κάνει φωτομετρία, βρίσκει αστρομετρική λύση και, τελικά, μέσω του δείκτη μεταβλητότητας δίνει έναν κατάλογο με τις μεταβλητές πηγές. Καθώς οι μεταβλητές πηγές μπορεί να περιέχουν ακόμη μεταβλητούς αστέρες ή υπέρκαινοφανείς, για να επιλεγεί ένα καθαρό δείγμα ΕΓΠ, οι παραπάνω πηγές διαχωρίστηκαν μέσω οπτικών και υπέρυθρων δεικτών χρώματος ή μέσω των χαρακτηριστικών των καμπυλών φωτός, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με ΕΓΠ που επιλέχτηκαν μέσω ακτινοβολίας στις ακτίνες Χ (Chandra X-ray Telescope) και μέσω δεικτών χρώματος στο υπέρυθρο (Spitzer-IRAC) . Με την μέθοδο μεταβλητότητας στο οπτικό φάσμα, ανιχνεύονται χαμηλής φωτεινότητας ΕΓΠ, οι οποίοι είναι οπτικά αμυδρότεροι και έχουν υψηλότερες ερυθρό-μετατοπίσεις από τους αντίστοιχους ΕΓΠ με ακτίνες Χ. Επίσης, ο πληθυσμός αυτός είναι πιο ασθενής στις ακτίνες Χ και έχει παρόμοια φωτεινότητα με αντίστοιχους ΕΓΠ χαμηλής φωτεινότητας στο κοντινό Σύμπαν, αλλά βρίσκεται σε πολύ μακρύτερη απόσταση. Τα αποτελέσματα στο συγκεκριμένο πεδίο δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS, ως Pouliasis et al. (2019).Β. Ο κατάλογος μεταβλητών του Hubble: ανίχνευση ΕΓΠ στα CANDELS και Frontier πεδία. Στα πλαίσια του προγράμματος “Hubble Catalog of Variables” (HCV), πραγματοποιήθηκε η ανίχνευση ΕΓΠ. Σκοπός του προγράμματος HCV είναι η ανίχνευση μεταβλητών σημειακών, αλλά και εκτεταμένων πηγών, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον κατάλογο πηγών του Hubble (Hubble Source Catalog). Πιο συγκεκριμένα, για την ανίχνευση ΕΓΠ χρησιμοποιήθηκαν πεδία τα οποία έχουν βαθιές παρατηρήσεις με μεγάλους χρόνους έκθεσης και επίσης έχουν παρατηρηθεί πολλές φορές χρησιμοποιώντας όλα τα διαθέσιμα φίλτρα. Τέτοια είναι τα CANDELS και Frontiers πεδία. Τα αποτελέσματα στο πεδίο GOODS-South χρησιμοποιήθηκαν ως άξονας όσον αφορά την επιλογή της διαδικασίας και την επιβεβαίωση και επαλήθευση των αποτελεσμάτων στα παραπάνω πεδία. Ανάλογα με τα διαθέσιμα δεδομένα από όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σε κάθε πεδίο, διαφορετικές μέθοδοι ανίχνευσης των ΕΓΠ χρησιμοποιήθηκαν για σύγκριση αποτελεσμάτων. Μέρος των αποτελεσμάτων στα CANDELS πεδία, περιλήφθηκαν στην δημοσίευση Bonanos et al. (2019) στο επιστημονικό περιοδικό Astronomy & Astrophysics.Γ. ́Ενας πληθυσμός ΕΓΠ μεγάλης απορρόφησης στις ακτίνες Χ και το οπτικό φάσμα, κρυμμένος στους γαλαξίες VIPERS: ανίχνευση μέσω ανάλυσης των φασματικών ενεργειακών κατανομών. Η εκπομπή ακτινών Χ ως μέθοδος ανίχνευσης των ΕΓΠ αποτελεί ένα αξιόπιστο και αποτελεσματικό εργαλείο, όμως μπορεί να μεροληπτεί έναντι των πηγών με μεγάλη απορρόφηση στις ακτίνες Χ και το οπτικό μέρος του ηλεκτρ/κού φάσματος. Απλά κριτήρια επιλογής ΕΓΠ με ευρείες μπάντες στην μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία θα μπορούσαν να αναγνωρίσουν έναν μεγάλο αριθμό φωτεινών και με μεγάλη απορρόφηση ΕΓΠ, αν και η σύγχυση με τους γαλαξίες που τα περιέχουν θα μπορούσε να οδηγήσει σε μη ομοιόμορφα και ελλιπή δείγματα. Η ανάλυση των φασματικών ενεργειακών κατανομών (ΦΕΚ) μπορεί να διαχωρίσει την μεσαία υπέρυθρη εκπομπή που προέρχεται από τους ΕΓΠ από εκείνη των περιοχών όπου ο ρυθμός σχηματισμού αστέρων είναι υψηλός και να αποκαλύψει τέτοιου είδους ΕΓΠ με ακόμη μικρότερη συνιστώσα. ’Ενας μεγάλος πληθυσμός ΕΓΠ μεγάλης απορρόφησης εντοπίστηκε χρησιμοποιώντας την ανάλυση ΦΕΚ σε ένα δείγμα γαλαξιών από το πρόγραμμα VIPERS στο πεδίο CFHTLS W1, όπου υπάρχει πληθώρα φωτομετρικών και φασματοσκοπικών δεδομένων. Κατασκευάστηκαν οι ΦΕΚ 6,860 πηγών με δεδομένα στο οπτικό (CFHTLS) και το υπέρυθρο (WISE και VHS) και με αξιόπιστες ερυθρό-μετατοπίσεις. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα μόνο γαλαξιών και, στη συνέχεια, διερευνήθηκε κατά πόσο ο έλεγχος καλής προσαρμογής μεταβάλλεται με την προσθήκη μοντέλων ΕΓΠ. Με τον συγκεκριμένο τρόπο, επιλέχθηκαν 160 ΕΓΠ χρησιμοποιώντας Μπαεσιανή προσέγγιση με υψηλό διάστημα εμπιστοσύνης (99.3%). Μελετώντας τα οπτικά φάσματα (VIPERS) και τις αντίστοιχες τεχνικές ανίχνευσης ΕΓΠ, 85% του δείγματος είναι επιβεβαιωμένοι ΕΓΠ. Το δείγμα ΕΓΠ είναι εξαιρετικά πλήρες (∼92%) σε σύγκριση με τους ΕΓΠ που έχουν επιλεχθεί στο υπέρυθρο, αλλά περιλαμβάνει επίσης έναν σημαντικό αριθμό πηγών χαμηλής φωτεινότητας με συστήματα που κυριαρχεί η ακτινοβολία του γαλαξία έναντι του ΕΓΠ. Εκτός από την έλλειψη εκπομπής ακτίνων Χ (80%), τα αποτελέσματα των ΦΕΚ υποδηλώνουν ότι η πλειοψηφία των πηγών τυγχάνει απορρόφησης μεσαίας κλίμακας στα οπτικά μήκη κύματος. Χρησιμοποιώντας ορισμένα διαγνωστικά κριτήρια στο οπτικό, υπέρυθρο και τις ακτίνες Χ, τα αποτελέσματα αυτά επαληθεύονται. Είναι ενδιαφέρον ότι μόνο το 35% των πλέον φωτεινών ΕΓΠ που έχουν επιλεχθεί στο υπέρυθρο εκπέμπουν στις ακτίνες Χ, γεγονός που υποδηλώνει ισχυρή απορρόφηση. Η γραπτή δημοσίευση για τα παραπάνω αποτελέσματα έχει ήδη κατατεθεί στο περιοδικό MNRAS ως Pouliasis et al. Τα συμπεράσματα που απορρέουν από την συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή είναι ότι οι διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των ΕΓΠ είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους και εξίσου σημαντικές για τον προσδιορισμό της πλήρους εικόνας των δημογραφικών στοιχείων των ΕΓΠ. Η κάθε μέθοδος επιλέγει δείγματα ΕΓΠ με διαφορετικές φυσικές και παρατηρησιακές ιδιότητες. Η ανίχνευση στην μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία προτιμάει ΕΓΠ με μεγάλα ποσά σκόνης γύρω από την μαύρη τρύπα, τα οποία μπορεί να αποκρύψουν μερικά ή ολικά την εκπομπή στις ακτίνες Χ. Στην αντίθετη περίπτωση, οι ΕΓΠ επιλεγμένοι στις ακτίνες Χ δύνανται να μην επιλεχθούνστην υπέρυθρη ακτινοβολία, καθώς εμπεριέχουν μικρότερα ποσά σκόνης και συχνά συγχέονται με την ακτινοβολία από τον γαλαξία που τα φιλοξενεί. Η μεταβλητότητα της ροής στο οπτικό μπορεί να αναγνωρίσει ένα μεγάλο αριθμό ΕΓΠ μικρής φωτεινότητας, ειδικότερα σε υψηλές ερυθρό-μετατοπίσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που παραμένουν μη ανιχνεύσιμοι ακόμα και στις βαθύτερες παρατηρήσεις στις ακτίνες Χ και στο υπέρυθρο. Ο πληθυσμός αυτός είναι κρίσιμος για τη μελέτη της αμυδρής περιοχής της συνάρτησης φωτεινότητας των ΕΓΠ και μπορεί να είναι το κλειδί μεταξύ των κανονικών γαλαξιών και των ΕΓΠ. Επιπρόσθετα, υπογραμμίζεται η σημασία της χρήσης τεχνικών ανάλυσης ΦΕΚ για την ανίχνευση λιγότερο φωτεινών πηγών μεγάλης απορρόφησης της ακτινοβολίας στα οπτικά μήκη κύματος και τις ακτίνες Χ, που άλλες μέθοδοι μπορεί να μην είναι τόσο αποτελεσματικές.