Dijagnostika plazme u širokolinijskoj oblasti aktivnih galaksija pomoću emisionih linija

Abstract

The electromagnetic spectrum of active galactic nuclei (AGN) has two specific features: an intensive broad-band continuum that comes from γ to radio wavelengths, and broad and intensive emission lines. In this emission line spectrum there are broad emission lines (BELs) that come from the so-called Broad Line Region (BLR). Even today, kinematics and physics of the BLR are not fully understood, and there is no unique geometry of the BLR that can be applied to all AGN. So far it has been assumed and accepted that the BLR is ionized by the intensive continuum coming from the accretion disk around a supermassive black hole that is in the center of an AGN. Thus, it is assumed that the major ionization mechanism of this region is photoionization and that the BELs are the result of recombination. In this PhD Thesis we study the physical properties of the BLR using broad hydrogen and helium lines. In previous investigations, physical properties, i.e. the temperature and electron density, have been estimated according to the similarity of this region to the emission nebulae (e.g. H II regions) where ratios of some forbidden lines (e.g. [O III] and [N II] lines) have been used. Another way to estimate these parameters is to use complex numerical codes to reproduce the observed emission line spectrum. In this work we propose a direct method for estimation of the physical properties of the BLR using the flux ratios of hydrogen Balmer and helium (He I 5876 ˚A i He II 4687 ˚A) emission lines. The method is performed using Boltzmann-plot method (widely used for the laboratory plasma diagnostics) and numerical simulations of the plasma conditions in the BLR, that are done with the spectral synthesis code CLOUDY. The method is applied to a sample of AGN spectra were taken from the SDSS (Sloan Digital Sky Survey) database. We found that in this sample the BLR temperature is in the range TBLR = 4000 − 18000 K while the hydrogen density is nH = 108.6 − 1011.5 cm−3. The obtained results are in good agreement with previous rough estimates of these BLR physical parameters. Moreover, we study here the variation of the BLR temperature and density in two well known AGN (NGC 5548 and NGC 4151), that were observed in a large period (8 years for NGC 5548 and 11 years for NGC 4151) with 6m SAO telescope from Russia and 2.1 INAOE telescope from Mexico. At the end, let us say that the work in this PhD Thesis is an attempt to clarify and better understand the nature of the BLR in AGN.

Elektromagnetni spektar aktivnih galaktičkih jezgara (AGJ) karakteriše intenzivno zračenje u kontinuumu na svim talasnim dužinama (od γ do radio), ali i vrlo intenzivne emisione linije. Tu se izdvajaju široke emisione linije, najšire linije u svemiru, koje nastaju u oblasti koja se po njima naziva širokolinijska oblast. I danas, fizičke i kinematičke osobine ove oblasti nisu do kraja objašnjene, pa i sama geometrija nije jedinstvena za sva AGJ. Za sada se pretpostavlja da je širokolinijska oblast jonizovana od strane intenzivnog zračenja u kontinuumu koje dolazi iz akrecionog diska oko supermasivne crne rupe koja se nalazi u centru AGJ. Dakle, pretpostavlja se da je glavni oblik jonizacije ove sredine fotojonizacija, a da su široke emisione linije rezultat rekombinacije. U ovoj doktorskoj disertaciji istražuju se fizičke osobine (temperatura i koncentracija) širokolinijske oblasi koristeći emisione linije vodonika i helijuma. U dosadašnjim istraživanjima, temperatura i koncentracija su procenjivane na osnovu sličnosti ove oblasti sa emisionim maglinama (npr. H II regionima), gde se koriste odnosi flukseva zabranjenih linija za dijagnostiku plazme. Takođe, moguće je proceniti ove veličine i pomoću kompleksnih numeričkih simulacija, gde se pokušava reprodukovati posmatrani emisioni spektar. U ovoj disertaciji prikazan je direktan metod procene fizičkih karakteristika širokolinijske oblasti koristeći samo odnose flukseva emisionih linija Balmerove serije vodonika i linija helijuma (He I 5876 ˚A i He II 4687 ˚A). Metod se bazira na Bolcman-plot metodu (koji se primenjuje u dijagnostici laboratorijske plazme) i razvijen je uz pomoć numeričkih simulacija uslova plazme u širokolinijskoj oblasti, koje su rađene u programu CLOUDY. Metod je primenjen na uzorak AGJ spektara preuzetih iz SDSS (Sloan Digital Sky Survey) spektralne baze. Za razmatrani uzorak je pokazano da su temperatura i koncentracija u širokolinijskoj oblasti u opsegu TBLR = 4000 − 18000 K i nH = 108.6 − 1011.5 cm−3. Ovi rezultati su u saglasnosti sa prethodnim grubim procenama ovih parametara. Takođe, u ovoj disertaciji se proučava i vremenska zavisnost fizičkih karakteristika u slučaju promenjivih aktivnih galaksija NGC 5548 i NGC 4151, koje su posmatrane u dugačkom vremenskom intervalu (8 odnosno 11 godina, respektivno) sa 6 m teleskopom SAO-a u Rusiji i 2.1 m INAOE teleskopom u Meksiku Na kraju, naglasimo da je rad u ovoj doktorskoj disertaciji pokušaj da se razjasni i bolje razume priroda širokolinijske oblasti aktivnih galaktičkih jezgara.