Constraining the high energy emission sources in the environment of supermassive black holes

par Francesco Ursini

Thèse de doctorat en Astrophysique et milieux dilues

Sous la direction de Pierre-Olivier Petrucci et de Giorgio Matt.

Soutenue le 28-10-2016

à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Università degli studi Roma Tre , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Claudine Kahane.

Le jury était composé de Alessandra De Rosa, Julien Malzac.

Les rapporteurs étaient René W. Goosmann, Paola Grandi.

  • Titre traduit

    L'origine de l'émission électromagnétique de haute énergie dans l'environnement des trous noirs supermassifs


  • Résumé

    Des trous noirs supermassifs de plusieurs centaines de millions de masses solaires résident au centre de la plupart des galaxies massives. Dans 90% des cas, ces trous noirs sont dans état quiescent, très peu lumineux. Cependant, dans les 10% restant, des processus extrêmement violents sont observés, avec la libération d'énorme quantités d'énergie no- tamment en UV, X et gamma. On observe aussi parfois des jets puissants de matière pouvant s'étendre sur plusieurs centaines de kpc. Le coeur de ces galaxies sont appelés Noyaux Actifs de Galaxie (NAG). Ce sont parmis les objets les plus lumineux de l'univers. L'accrétion de la matière environnante sur le trou noir supermassif central est unanimement reconnue comme la source d'énergie la plus plausible pour expliquer la puissance phénoménale observée. L'énergie gravitationelle serait ainsi en partie libérée dans un disque d'accrétion, sous forme de rayonnement thermique piquant dans l'optique/UV, et en partie rayonnée en X/gamma par une couronne de plasma chaud présente dans l'environnement proche du trou noir.De nombreux phénomènes sont néanmoins encore très mal connus et beaucoup de ques- tions n'ont toujours pas de réponses satisfaisantes: quelles sont la dynamique et la structure des flots d'accrétion et d'éjection dans les NAG? Quels sont les processus radiatifs produisant le rayonnement UV/X? Quelle est l'origine des différentes composantes spectrales présentes dans ces domaines d'énergie? Cette thèse a pour objectif d'apporter de nouvelles contraintes observationnelles pour meux répondre à ces questions. Son originalité réside dans le développement et l'utilisation de modèles réalistes de Comptonisation thermique permettant d'une part de mieux contraindre les propriétés physiques et géométriques des régions d'émission UV/X et d'autre part de mieux comprendre l'origine des différentes composantes spectrales observées. Nous nous sommes notamment intéressés, au cours de cette thèse, à l'excès d'émission X-mou (<2 keV), présent dans un grand nombre de NAG, et dont l'origine est toujours inconnue.Ces travaux s'articulent autour de deux axes principaux. Le premier est l'étude spectrale détaillée de longues campagnes d'observation multi-longueur d'ondes de trois galaxies de Seyfert (NGC 5548, NGC 7213 et NGC 4593). La qualité des données ont ainsi permis de révéler les paramètres physiques (notamment la température et la profondeur optique) et géométriques de la couronne thermique à l'origine du continuum X. Le second axe porte sur l'analyse de données d'archives (en provenance du satellite XMM-Newton) d'un échantillon important de galaxies de Seyfert. Cela a permis d'apporter, cette fois ci, des contraintes plus générales sur les processus d'émission haute énergie observés dans ces objets. Ces deux approches ont notamment montré que l'exces d'émission X-mou pouvait provenir des couches supérieures chaudes du disque d'accrétion, suggérant un chauffage plus efficace en surface plutôt que dans les régions internes.


  • Résumé

    Supermassive black holes of several hundred million solar masses lie at the centre of most massive galaxies. In 90% of cases, these black holes are in quiescent, very low luminous states. Nevertheless, in the remaining 10%, extremely violent processes are seen, with the liberation of huge amounts of energy especially in the UV, X-ray and gamma-ray bands. We also sometimes observe powerful jets, extending up to several hundred kpc scales. The cores of these galaxies are called Active Galactic Nuclei (AGNs). These are among the most luminous objects in the Universe. The accretion of surrounding matter onto the central supermassive black hole is generally considered as the most likely energy source to explain the extraordinary observed luminosity. The gravitational energy would be partly liberated into an accretion disc as thermal radiation peaking in the optical/UV band, and partly radiated in the X-ray/gamma-ray band by a corona of hot plasma lying in the environment close to the black hole.However, several phenomena are still poorly understood and a number of questions lacks satisfactory answers: what are the dynamics and the structure of the accretion and ejection flows in AGNs? What are the radiative processes producing the UV/X-ray radiation? What is the origin of the different spectral components present in those energy bands? The goal of this thesis is to derive new observational constraints to better answer to these questions. Its originality resides in the development and application of realistic models of thermal Comptonization, allowing on the one hand to better constrain the physical and geometrical properties of the UV and X-ray-emitting regions, and on the other hand to better understand the origin of the different observed spectral components. In particular, we studied the excess of the soft (<2 keV) X-ray emission, seen in a great number of AGNs, and whose origin is still unknown.This work is structured along two main branches. One is the detailed spectral analysis of long, multiwavelength observational campaigns on three Seyfert galaxies (NGC 5548, NGC 7213 and NGC 4593). The quality of the data permitted to reveal the geometrical and physical parameters (in particular the temperature and optical depth) of the thermal corona producing the X-ray continuum. The second branch is based on the analysis of archival data (from the XMM-newton satellite) of a large sample of Seyfert galaxies. This allowed us to derive more general constraints on the high-energy emission processes observed in these objects. These two approaches have shown, in particular, that the soft X-ray emission excess may arise in the warm upper layers of the accretion disc, suggesting a more effective heating of the surface rather than the inner regions.


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