X-ray and optical properties of X-ray luminous active galactic nuclei

Röntgen- und optische Eigenschaften von röntgenleuchtkräftigen aktiven Galaxienkernen

  • Giacconi et al. (1962) discovered a diffuse cosmic X-ray background with rocket experiments when they searched for lunar X-ray emission. Later satellite missions found a spectral peak in the cosmic X-ray background at ~30 keV. Imaging X-ray satellites such as ROSAT (1990-1999) were able to resolve up to 80% of the background below 2 keV into single point sources, mainly active galaxies. The cosmic X-ray background is the integration of all accreting super-massive (several million solar masses) black holes in the centre of active galaxies over cosmic time. Synthesis models need further populations of X-ray absorbed active galaxy nuclei (AGN) in order to explain the cosmic X-ray background peak at ~30 keV. Current X-ray missions such as XMM-Newton and Chandra offer the possibility of studying these additional populations. This Ph.D. thesis studies the populations that dominate the X-ray sky. For this purpose the 120 ksec XMM-Newton Marano field survey, named for an earlier optical quasar survey in the southern hemisphere, is analysed.Giacconi et al. (1962) discovered a diffuse cosmic X-ray background with rocket experiments when they searched for lunar X-ray emission. Later satellite missions found a spectral peak in the cosmic X-ray background at ~30 keV. Imaging X-ray satellites such as ROSAT (1990-1999) were able to resolve up to 80% of the background below 2 keV into single point sources, mainly active galaxies. The cosmic X-ray background is the integration of all accreting super-massive (several million solar masses) black holes in the centre of active galaxies over cosmic time. Synthesis models need further populations of X-ray absorbed active galaxy nuclei (AGN) in order to explain the cosmic X-ray background peak at ~30 keV. Current X-ray missions such as XMM-Newton and Chandra offer the possibility of studying these additional populations. This Ph.D. thesis studies the populations that dominate the X-ray sky. For this purpose the 120 ksec XMM-Newton Marano field survey, named for an earlier optical quasar survey in the southern hemisphere, is analysed. Based on the optical follow-up observations the X-ray sources are spectroscopically classified. Optical and X-ray properties of the different X-ray source populations are studied and differences are derived. The amount of absorption in the X-ray spectra of type II AGN, which are considered as a main contributor to the X-ray background at ~30 keV, is determined. In order to extend the sample size of the rare type II AGN, this study also includes objects from another survey, the XMM-Newton Serendipitous Medium Sample. In addition, the dependence of the absorption in type II AGN with redshift and X-ray luminosity is analysed. We detected 328 X-ray sources in the Marano field. 140 sources were spectroscopically classified. We found 89 type I AGN, 36 type II AGN, 6 galaxies, and 9 stars. AGN, galaxies, and stars are clearly distinguishable by their optical and X-ray properties. Type I and II AGN do not separate clearly. They have a significant overlap in all studied properties. In a few cases the X-ray properties are in contradiction to the observed optical properties for type I and type II AGN. For example we find type II AGN that show evidence for optical absorption but are not absorbed in X-rays. Based on the additional use of near infra-red imaging (K-band), we were able to identify several of the rare type II AGN. The X-ray spectra of type II AGN from the XMM-Newton Marano field survey and the XMM-Newton Serendipitous Medium Sample were analysed. Since most of the sources have only ~40 X-ray counts in the XMM-Newton PN-detector, I carefully studied the fit results of simulated X-ray spectra as a function of fit statistic and binning method. The objects revealed only moderate absorption. In particular, I do not find any Compton-thick sources (absorbed by column densities of NH > 1.5 x 10^24 cm^−2). This gives evidence that type II AGN are not the main contributor of the X-ray background around 30 keV. Although bias effects may occur, type II AGN show no noticeable trend of the amount of absorption with redshift or X-ray luminosity.show moreshow less
  • Giacconi et al. (1962) entdeckten mit Hilfe von Raketenexperimenten auf der Suche nach Röntgenstrahlung vom Mond eine scheinbar diffuse extragalaktische Röntgenhintergrundstrahlung. Spätere Satellitenmissionen detektierten ein Maximum dieser Strahlung bei ~30 keV. Abbildenden Röntgensatelliten wie ROSAT (1990-1999) gelang es, bis zu 80% des diffusen Hintergrundes unter 2 keV in einzelne Punktquellen aufzulösen, von denen die überwiegende Mehrheit aktive Galaxienkerne waren. Der Röntgenhintergrund ist somit wahrscheinlich als die Emission der Gesamtheit aller akkretierenden superschweren (mehrere Millionen Sonnenmassen) schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien in der kosmischen Geschichte zu verstehen. Zur Erklärung des Maximums der spektralen Energieverteilung der Röntgenhintergrundstrahlung bei ~30 keV benötigen theoretische Modelle jedoch zusätzliche Populationen von röntgenabsorbierenden aktiven Galaxienkernen (AGN). Derzeitige Röntgenmissionen wie XMM-Newton und Chandra ermöglichen die Untersuchung dieser Quellklassen. DieGiacconi et al. (1962) entdeckten mit Hilfe von Raketenexperimenten auf der Suche nach Röntgenstrahlung vom Mond eine scheinbar diffuse extragalaktische Röntgenhintergrundstrahlung. Spätere Satellitenmissionen detektierten ein Maximum dieser Strahlung bei ~30 keV. Abbildenden Röntgensatelliten wie ROSAT (1990-1999) gelang es, bis zu 80% des diffusen Hintergrundes unter 2 keV in einzelne Punktquellen aufzulösen, von denen die überwiegende Mehrheit aktive Galaxienkerne waren. Der Röntgenhintergrund ist somit wahrscheinlich als die Emission der Gesamtheit aller akkretierenden superschweren (mehrere Millionen Sonnenmassen) schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien in der kosmischen Geschichte zu verstehen. Zur Erklärung des Maximums der spektralen Energieverteilung der Röntgenhintergrundstrahlung bei ~30 keV benötigen theoretische Modelle jedoch zusätzliche Populationen von röntgenabsorbierenden aktiven Galaxienkernen (AGN). Derzeitige Röntgenmissionen wie XMM-Newton und Chandra ermöglichen die Untersuchung dieser Quellklassen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Quellpopulationen, die den Röntgenhimmel dominieren. Dazu wird die 120 ksec XMM-Newton Beobachtung im Marano Feld, Ziel einer früheren optischen AGN-Durchmusterung am Südhimmel, ausgewertet. Die optischen und Röntgeneigenschaften der unterschiedlichen Quellpopulationen werden untersucht und Unterschiede erarbeitet. Für die röntgenabsorbierende Objektklasse der Typ II AGN, die man als möglichen Erzeuger der Röntgenstrahlung um 30 keV betrachtet, wird aus den Röntgenspektren das Ausmaß der Absorption ermittelt. Um die Anzahl dieser selten gefundenen Objekte zu erhöhen, werden in dieser Arbeit zusätzliche Objekte aus der Röntgendurchmusterung des “XMM-Newton Serendipitous Medium Sample” einbezogen. Die Abhängigkeit der Absorption von der Rotverschiebung und der Röntgenleuchtkraft wird untersucht. Von 328 Röntgenquellen im Marano Feld konnten 140 spektroskopisch klassifiziert werden. Es wurden 89 Typ I AGN, 36 Typ II AGN, 6 Galaxien und 9 Sterne gefunden. Nur basierend auf den optischen und Röntgeneigenschaften können AGN, Galaxien und Sterne unterschieden werden. Typ I und II AGN lassen sich nicht klar trennen und zeigen große Gemeinsamkeiten in den untersuchten Eigenschaften. Mit Hilfe von zusätzlichen Aufnahmen im nahen Infraroten (K-Band) konnten erfolgreich mehrere seltene Typ II AGN identifiziert werden. Die Röntgenspektren von Typ II AGN aus dem XMM-Newton Marano Feld und dem “XMM-Newton Serendipitous Medium Sample” wurden ausgewertet. Die Objekte weisen nur eine mäßige Absorption auf und scheinen somit nicht einen Hauptbestandteil des Röntgenstrahlungshintergrundes um 30 keV zu erzeugen. Obwohl Selektionseffekte nicht vollständig verstanden sind, zeigen Typ II AGN keine erkennbare Abhängigkeit der Absorption von der Rotverschiebung oder der Röntgenleuchtkraft.show moreshow less

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Metadaten
Author:Mirko Krumpe
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-16993
Advisor:Matthias Steinmetz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2008/02/29
Release Date:2008/03/19
Tag:Aktive Galaxienkerne; Quasare; Röntgenhintergrund; Type I AGN; Type II AGN
Active Galactic Nuclei; X-ray background; quasars; type I AGN; type II AGN
RVK - Regensburg Classification:US 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
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