The coevolution of the AGNs and their host galaxies

Abstract

This thesis is a contribution to the understanding of the correlation between the Active Galactic Nuclei (AGNs) and their host galaxies. There is growing evidence supporting the coeval growth of galaxies and their resident supermassive black hole (SMBH). Most studies also claim a correlation between the activity of the SMBH and the star formation of the host galaxy. It is unclear, though, whether or not this correlation extends at all redshifts and X- ray luminosities. We use data from the X-ATLAS and XMM -XXL North fields, compiling the largest X-ray sample up to date (3336 AGNs) to investigate how X-ray selected AGNs affect the star formation of their host galaxies, in a wide redshift and X-ray luminosity (LX) baseline of 0.03 < z < 3 and log LX(2-10 keV) = (41 - 45.5) erg s^−1. 1872 of our sources have spectroscopic redshifts. For the remaining sources we calculate photometric redshifts using TPZ, which is a machine-learning algorithm. We estimate stellar masses M∗ and star formation rates (SFRs) by applying spectral energy distribution (SED) fitting through the CIGALE code, using optical, near-IR, and mid-IR photometry (SDSS, VISTA, and WISE). Of our sources, 608 also have far-IR photometry (Herschel). We use the latter sources to calibrate the SFR calculations of our remaining X-ray sample. Our results show a correlation between LX and SFR of the host galaxy at all redshifts and luminosities spanned by our sample. We also find a dependence of the specific SFR (sSFR) on redshift, while there are indications that the X-ray luminosity enhances the sSFR even at low redshifts. Then, taking into account the evolution of SFR with stellar mass and redshift, we explore whether the AGN power correlates with any deviation of the host galaxy’s place, with respect to the star forming Main Sequence (MS). To do so, we estimate the SFRs of main-sequence galaxies that have the same stellar masses and redshifts with our X-ray AGNs and compare them with the SFRs of our X-ray AGNs. The latter is described by the SFRnorm value. Our analysis reveals that the AGN presence is linked with an enhanced star formation in the host galaxy, regardless of the position of the host galaxy on the main sequence. Furthermore, using 3,213 Active Galactic Nuclei from the XMM -XXL northern field we investigate the relation of AGN type with host galaxy properties. Specifically, we applyan advanced statistical method to derive the hardness ratios (HRs) for the examined sample and through them the hydrogen column density (NH) for each source. We consider as absorbed those sources with NH > 10^21.5 cm^−2. We examine the star formation rate as well as the stellar mass distributions for both absorbed and unabsorbed sources. Our work indicates that there is no significant link between the AGN type and these host galaxy properties. Next, we investigate whether the AGN power correlates with any deviation of the host galaxy’s place from MS, for the obscured and the unobscured AGN populations. We find that the correlation between LX and SFRnorm, follows approximately the same trend for both absorbed and unabsorbed sources. This behaviour suggests that the AGN type does not have a significant impact on the relation between SFR and AGN power, as expected by the standard AGN unification models. Finally, we explore the connection between column density, NH, and SFR. We find that there is no correlation between these quantities, suggesting that the AGN obscuration is unrelated to the large scale SFR in the galaxy. Motivated by our results, in the third part of this study, we explore the obscuration properties of red AGNs with both X-ray spectroscopy and SEDs. The combination of optical and mid-infrared (MIR) photometry has been extensively used to select red AGNs. In the last part of this work we re-visit the relation between optical/MIR extinction and X-ray absorption. To do so, we use IR selection criteria, specifically the W1 and W2 WISE bands, to identify 4798 AGNs in the XMM-XXL area (∼ 25deg^2). Selection via optical/MIR colours (r − W2 > 6) reveals 561 red AGNs (14%). Of these, 47 have available X-ray spectra with at least 50 net (background-subtracted) counts per detector. For these sources, we construct SEDs from the optical to the MIR using the CIGALE code. The SED fitting shows that 44 of these latter 47 sources present clear signs of obscuration based on the AGN emission and the estimated inclination angle. Fitting the SED also reveals ten systems (∼ 20%) which are dominated by the galaxy. In these cases, the red colours are attributed to the host galaxy rather than AGN absorption. Excluding these ten systems from our sample and applying X-ray spectral fitting analysis shows that up to 76% (28/37) of the IR red AGNs present signs of X-ray absorption. Thus, there are nine sources (∼ 20% of the sample) that although optically red, are not substantially X-ray absorbed. Approximately 50% of these sources present broad emission lines in their optical spectra. We suggest that the reason for this apparent discrepancy is that r−W2 criterion is sensitive to smaller amounts of obscuration relative to the X-ray spectroscopy. In conclusion, it appears that the majority of red AGNs present considerable obscuration levels as shown by their SEDs. Their X-ray absorption is moderate with a mean value of NH ∼ 10^22 cm^−2.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματεύεται τη μελέτη της σχέσης του Eνεργού Γαλαξιακού Πυρήνα (AGN) με τον περιβάλλοντα γαλαξία. Μελέτες των τελευταίων δεκαετιών έχουν οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι υπάρχει άρρηκτη σχέση ανάμεσα στους γαλαξίες και στις υπερμεγέθεις μελανές οπές (SMBHs) που φιλοξενούν στο κέντρο τους. Εντούτοις, είναι ακόμη ασαφές εάν και πώς η δραστηριότητα της SMBH επηρεάζει τις ιδιότητες του περιβάλλοντα γαλαξία. Το πρώτο μέρος αυτής της μελέτης, έχει ως στόχο την διερεύνηση του εν λόγω ζητήματος και πιο συγκεκριμένα, πραγματεύεται τη σχέση ανάμεσα στη δραστηριότητα του AGN και του ρυθμού παραγωγής αστέρων (SFR) του εκάστοτε γαλαξία. Για το σκοπό αυτό, συνθέτουμε το μεγαλύτερο δείγμα πηγών Ακτίνων - Χ (μεγαλύτερο σε σχέση με μελέτες που άπτονται του εν λόγω θέματος). Το δείγμα μας αποτελείται από ∼ 3,500 AGNs, σε ένα μεγάλο φάσμα ερυθρομετατοπίσεων καθώς και φωτεινοτήτων στις Ακτίνες - Χ, 0.03 < z < 3 και log LX(2-10 keV) = (41 - 45.5) erg s^−1, χρησιμοποιώντας τα πεδία X-ATLAS και XMM-XXL North. Πιο συγκεκριμένα, η σύνδεση μεταξύ του AGN (χρησιμοποιώντας ως δείκτη την LX), και του σχηματισμού άστρων, διερευνάται, απαντώντας στα ακόλουθα ερευνητικά ερωτήματα: σύνδεση SFR-Lx, εξέλιξη του SFR με την ασ- τρική μάζα του γαλαξία (M∗) και την ερυθρομετατόπιση, αποδέσμευση του SFR από τις επιδράσεις της M∗ και της ερυθρομετατόπισης και σύγκριση με την κύρια ακολουθία. Οι γαλαξιακές ιδιότητες (π.χ. M∗, SFR) υπολογίζονται μέσω της ανάλυσης της φασματικής ενεργειακής κατανομής (Spectral Energy Distribution, SED), με τη χρήση εξειδικευμένου λογισμικού (CIGALE). Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, υπάρχει συσχέτιση ανάμεσα στον AGN και το SFR του περιβάλλοντα γαλαξία, ανεξάρτητα από τη θέση του σε σχέση με την κύρια ακολουθία. Το δεύτερο μέρος της διατριβής πραγματεύεται ένα επίσης ανοικτό ζήτημα, αυτό της σχέσης του τύπου του AGN (απορροφημένος ή μη) με τον περιβάλλοντα γαλαξία. Είναι υπό διερεύνηση το εάν η απορρόφηση, εξαιτίας μεσοαστρικού αερίου και κονιορτού, που παρατηρούμε στα περισσότερα AGN, οφείλεται στη διαφορετική γωνία υπό την οποία παρατηρείται το κάθε σύστημα (ενοποιημένα μοντέλα) ή αποτελεί μια εξελικτική φάση του γαλαξία (εξελικτικά μοντέλα). Η μελέτη εστιάζεται στην ύπαρξη συσχέτισης ανάμεσα στις ιδιότητες γαλαξιών που φιλοξενούν απορροφημένα και μη απορροφημένα AGN, καθώς επίσης στη σχέση της αστρογένεσης με το LX, για διαφορετικούς τύπους AGN. Χρησιμοποιώντας το προαναφερθέν δείγμα, αυτή τη φορά μόνο τις πηγές που προέρχονται από το πεδίο XMM-XXL North, μελετώνται οι ιδιότητες του περιβάλλοντα γαλαξία (M∗, SFR) καθώς επίσης, επανεξετάζεται η σχέση του SFR με τον AGN λαμβάνοντας υπόψη και στις δύο περιπτώσεις, την απορρόφηση του κάθε συστήματος. Τα αποτελέσματα μας φαίνεται να συμφωνούν με τις προβλέψεις του ενοποιημένου μοντέλου, δεδομένου ότι αφενός οι κατανομές των ιδιοτήτων των γαλαξιών δεν επηρεάζονται σημαντικά από τον τύπο του AGN, αφετέρου διότι η σχέση ανάμεσα στο AGN και στο SFR παραμένει ίδια ανεξαρτήτως απορρόφησης. Με αφορμή τα αποτελέσματα μας, στο τρίτο και τελευταίο μέρος της έρευνας, εξετάζεται η σχέση οπτικής/υπέρυθρης και X- ray απορρόφησης. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούμε, και πάλι, πηγές του πεδίου XMM -XXL. Εφαρμόζοντας συγκεκριμένα κριτήρια (r − W2 > 6, Yan et al.) εντοπίζουμε ∼ 600 απορροφημένους (κόκκινους) AGNs στο υπό μελέτη πεδίο. 50 από αυτούς έχουν διαθέσιμα φάσματα ακτίνων Χ κι επιτρέπουν τη μελέτη των X-ray ιδιοτήτων των εν λόγω πηγών (XSPEC). Επιπροσθέτως, πραγματοποιείται ανάλυση της φασματικής ενεργειακής κατανομής, με τη χρήση του CIGALE κι εξετάζονται τα οπτικά τους φάσματα, όπου αυτά είναι διαθέσιμα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα μας το 76% (28/37) των κόκκινων πηγών παρουσιάζει απορρόφηση και στις Ακτίνες Χ.