On the obscuration of the growing supermassive black hole population

Published: April 14, 2015, 11 a.m.

b'Aktive Galaxienkerne (AGN) werden durch das Wachstum super-schwere schwarze L\\xf6cher, die im Zentrum jeder massiven Galaxie sitzen, betrieben. Da enge Korrelationen ihrer Massen zu Eigenschaften der elliptischen Galaxienkomponente beobachtet werden, und durch ihre extreme Leuchtkraft ist es naheliegend, dass AGN einen wichtigen Baustein von Galaxien bilden. Der erste Schritt, AGN zu verstehen ist es, ihre H\\xe4ufigkeit zu ermitteln, sowie die Leuchtkraft der Population. Dieses Unterfangen wird dadurch erschwert, dass die meisten AGN von Gas und Staub umgeben sind. Selbst im energiereichen R\\xf6ntgenbereich, der in dieser Arbeit verwendet wird, wird die intrinsische Strahlung durch Absorption um mehrere Gr\\xf6\\xdfenordnung verringert.\\nDie vorliegenden Doktorarbeit untersucht zuerst die Eigenschaften dieser Wolken, im speziellen ihre Geometrie, S\\xe4ulendichteverteilung und ihr Verh\\xe4ltnis zur Leuchtkraft des AGN. Dazu werden \\u223c 300 AGN von der l\\xe4ngst-beobachteten R\\xf6ntgenregion, der Chandra Deep Field South Kampagne verwendet. Eine neue Bayesische Methode zur Spektralanalyse wurde entwickelt, um verschiedene physikalisch motivierte Modelle f\\xfcr den Aufbau der Wolken zu vergleichen. Das R\\xf6ntgenspektrum reagiert, haupts\\xe4chlich dank Compton-Streuung, auf die Gesamtbedeckung der Quelle durch das Gas. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass die Wolken mit einer Torus (\\u201cDonut\\u201d) Form konsistent sind, und sowohl vollst\\xe4ndige Bedeckung als auch eine Scheiben-artige Konfiguration ausgeschlossen werden k\\xf6nnen. Au\\xdferdem ist eine weiteren Komponente h\\xf6herer Dichte notwendig um zus\\xe4tzlich beobachtete Compton-Reflektion zu erkl\\xe4ren. Dies deutet auf eine strukturierte Formation\\nhin, wie etwa ein Torus mit einem Dichtegradienten. \\nDie Untersuchung der gesamten AGN-Population inklusive der AGN mit hohen S\\xe4ulendichten, verlangt eine gro\\xdfe Stichprobe mit einem genauen Verst\\xe4ndnis f\\xfcr die Stichprobenverzerrung, sowie fortgeschrittene statistische Inferenzmethoden. Diese Arbeit baut auf eine \\u223c 2000 AGN gro\\xdfe Stichprobe die durch R\\xf6ntgenemission detektiert wurde, bestehend aus mehrschichtigen Kampagnen aus den CDFS, AEGIS-XD, COSMOS and XMM-XXL Regionen. Die R\\xf6ntgenspektren wurden im Detail mit einem physikalischen Spektralmodell analysiert, um die intrinsische Leuchtkraft, Rotverschiebung, sowie S\\xe4ulendichte (N_H) f\\xfcr jedes Objekt zu erhalten, inklusive der Messunsicherheit. Au\\xdferdem wurden in dieser Arbeit neue statistische Methoden entwickelt um die richtige Assoziation zu optischen/infraroten Objekten zu finden, und um die Unsicherheiten durch Objekte ohne Pendant, der Rotverschiebungsmessung, sowie der Poissonfehler des R\\xf6ntgenspektrums in alle Ergebnisse einzubinden.\\nEinen weiteren wichtigen Beitrag bildet eine Bayesische, nicht-parametrische Methode um die unverzerrte Dichte von AGN in kosmologischen Volumen als Funktion von intrinsischer Leuchtkraft, Rotverschiebung und S\\xe4ulendichte (N H ) der verbergenden Wolken zu rekonstruieren. Obwohl in dieser Methode lediglich Glattheit verwendet wird, kann dieser Ansatz dieselben Formen der Leuchtkraftverteilung sowie ihre Entwicklung rekonstruieren, die sonst oft in emprischen Modellen verwendet werden, jedoch ohne diese apriori anzunehmen. Im Gro\\xdfen und Ganzen kann die Leuchtkraftverteilung, in allen Rotverschiebungsschalen, als Potenzgesetz mit einem Umbruchspunkt beschrieben werden.\\nSowohl die Normalisation als auch der Leuchtkraftumbruchspunkt entwickeln sich \\xfcber den Lauf des Universums, allerdings zeigen die Daten keine Belege f\\xfcr eine Ver\\xe4nderung der Form der Verteilung. Dies deutet darauf hin, im Gegensatz zu Aussagen vorherigen Studien, dass der R\\xfcckkopplungsmechanismus zwischen AGN und beherbergender Galaxie immer gleich funktioniert, und sich nur die Anzahl und Gr\\xf6\\xdfe der wachsenden Systeme ver\\xe4ndert. Die nicht-parametrische Rekonstruktionsmethode verwendet keine Annahmen dar\\xfcber wie sich z.B. die H\\xe4ufigkeiten von S\\xe4ulendichte des verdeckenden Gases mit Leuchtkraft oder Rotverschiebung ver\\xe4ndert. Dies erlaubt sehr robuste Schl\\xfcsse \\xfcber den Anteil der\\nverdeckten AGN (N_H > 10^22 cm \\u22122 ), die 77 +4 \\u22125 % der Population ausmachen sowie den Anteil der Compton-dicken AGN (38 +8 \\u22127 %), die sich hinter enormen S\\xe4ulendichten (N_H > 10^24 cm \\u22122 ) verbergen. Insbesondere dass der letztere Anteil bestimmt werden konnte, l\\xe4sst endlich Schl\\xfcsse darauf zu, wieviel AGN \\u201cverdeckt\\u201d wachsen. Au\\xdferdem suggeriert es, dass der Torus einen gro\\xdfen Teil des AGN verdeckt. Basierend auf der Leuchtkraft der gesamten AGN Population wurde die Masse, die \\xfcber den Lauf der Zeit in schwarzen L\\xf6chern gesperrt wurde, gesch\\xe4tzt, und die Massendichte der supermassereichen schwarzen L\\xf6cher im heutigen Universum vorhergesagt.\\nDie Rekonstruktion bringt au\\xdferdem zu Tage, dass der Anteil der verdeckten AGN (insbesondere der Compton-d\\xfcnnen AGN) eine negative Leuchtkraftabh\\xe4ngigkeit aufweist, und dass sich diese Abh\\xe4ngigkeit \\xfcber die Geschichte des Universums entwickelt hat. Dieses Resultat wird in dieser Arbeit im Zusammenhang mit bestehenden Modellen interpretiert und ist m\\xf6glicherweise ein Nebeneffekt eines nicht-hierarchischen Wachstums von AGN.'