Quasares com linhas largas de duplo pico : sua natureza e variabilidade

Abstract

Núcleos Ativos de Galáxias (AGN) são caracterizados pela presença de um buraco negro supermassivo (SMBH) capturando matéria no núcleo de uma galáxia através de um disco de acreção. Os quasares, tipo de AGN estudado neste trabalho, estão entre os fenômenos mais luminosos do Universo, pela transformação da energia potencial gravitacional da matéria capturada em intensa radiação e jatos de particulas emanados do disco de acreção. Uma região importante do AGN é a chamada Broad Line Region (BLR), onde são geradas linhas espectrais que revelam a estrutura e a cinemática do gás ionizado que circunda o disco de acreção. Neste trabalho analisamos em particular quasares com perfis das linhas da BLR caracterizados por uma grande largura (5000 a 10000 km s−1 ) e por um duplo pico atribuído a um anel de nuvens de gás ionizado que orbita o SMBH e o disco de acreção. A origem física do duplo pico (DP) e o que essa característica revela sobre a estrutura e dinâmica do quasar e seu SMBH vêm sendo discutidos na literatura há mais de duas décadas. O trabalho possui dois objetivos principais desenvolvidos em dois artigos científicos: (i) caracterizar o AGN (como massa do SMBH – MBH, luminosidade, razão de Eddington – λEdd) de uma amostra estatística de quasares DP comparando-a com uma amostra de controle de quasares que não apresentam DP; em particular separamos a amostra em 3 subamostras: DP, NDP (não duplo pico) e IM (intermediário); e (ii) quantificar a variabilidade fotométrica de cada objeto e verificar como ela se correlaciona com as propriedades do AGN em cada subamostra. A metodologia empregada para a seleção das subamostras é baseada na análise do perfil de emissão de Hβ e Hα dos espectros do SDSS (York et al., 2000), a partir do modelo de Storchi-Bergmann et al. (2017). Para analisar as propriedades físico-espectrais, utilizamos catálogos (Lyke et al., 2020; Wu e Shen, 2022; Helfand et al., 2015). Para o cálculo da variabilidade fotométrica, utilizamos os dados do Zwicky Transient Facility (ZTF) (Bellm et al., 2019; Graham et al., 2019). No primeiro artigo, encontramos que a subamostra DP apresenta uma transição gradual até a subamostra NDP em diversas propriedades físicas, tais como MBH, λEdd, luminosidade, Full Width at Half Maximum (FWHM, largura total a meia altura) e Equivalent Width (EW, largura equivalente) de linhas de emissão. Encontramos também diferenças no tamanho e na intensidade do jato rádio a partir do catálogo FIRST. No segundo artigo, encontramos que os quasares DP mostram uma maior amplitude de variabilidade (Fvar) e seguem uma sequência com variabilidade decrescente até os NDP. O cálculo da massa a partir da variabilidade não apresenta segregação entre as amostras, e o principal resultado é uma anticorrelação encontrada entre λEdd e Fvar. No primeiro trabalho discutimos a origem dessas tendências, argumentando que a inclinação do AGN desempenha um papel fundamental, sendo os NDP mais face-on e os DP mais inclinados em relação a linha de visada. Também discutimos o viés induzido pela inclinação na determinação de MBH e λEdd. Por fim, concluímos que a razão de Eddington desempenha um papel de acordo com a sequência do Eigenvector 1, na qual as fontes DP ocupam a região superior esquerda, enquanto as fontes NDP situam-se na parte inferior, e são os unicos no canto direito do plano FWHM(Hβ) vs. EW(Fe II)/EW(Hβ). No segundo trabalho discutimos que as fontes DP não são necessariamente mais massivas do que outros tipos. Discutimos também como o menor λEdd das fontes DP as torna mais variáveis e propomos que o viés por conta da inclinação ou da taxa de acreção pode ser a causa do comportamento do parâmetro FVar, que difere entre a amostra completa e as subamostras analisadas separadamente.

Active Galactic Nuclei (AGN) are characterized by the presence of a supermassive black hole (SMBH) capturing matter at the nucleus of a galaxy through an accretion disk. Quasars, the type of AGN studied in this work, are among the most luminous phenomena in the Universe, due to the transformation of the gravitational potential energy of the captured matter into intense radiation and particle jets emanating from the accretion disk. An important region of the AGN is the so-called Broad Line Region (BLR), where spectral lines are generated that reveal the structure and kinematics of the ionized gas surrounding the accretion disk. In this work we analyze in particular quasars with BLR line profiles characterized by a large width (5000 to 10000 km, s−1 ) and by a double peak attributed to a ring of ionized gas clouds that orbits the SMBH and the accretion disk. The physical origin of the double peak (DP) and what this feature reveals about the structure and dynamics of the quasar and its SMBH have been discussed in the literature for more than two decades. The work has two main objectives developed in two scientific articles: (i) to characterize the AGN (such as SMBH mass – MBH, luminosity, Eddington ratio – λEdd) of a statistical sample of DP quasars by comparing it with a control sample of quasars that do not present DP; in particular we separate the sample into 3 subsamples: DP, NDP (non-double-peaked) and IM (intermediate); and (ii) to quantify the photometric variability of each object and verify how it correlates with the AGN properties in each subsample. The methodology employed for the selection of the subsamples is based on the analysis of the Hβ and Hα emission profiles of the SDSS spectra (York et al., 2000), based on the model of Storchi-Bergmann et al. (2017). To analyze the physical-spectral properties, we use catalogs (Lyke et al., 2020; Wu e Shen, 2022; Helfand et al., 2015). For the calculation of the photometric variability, we use data from the Zwicky Transient Facility (ZTF) (Bellm et al., 2019; Graham et al., 2019). In the first paper, we find that the DP subsample presents a gradual transition toward the NDP subsample in several physical properties, such as MBH, λEdd, luminosity, Full Width at Half Maximum (FWHM) and Equivalent Width (EW) of emission lines. We also find differences in the size and intensity of the radio jet from the FIRST catalog. In the second paper, we find that DP quasars show a higher variability amplitude (Fvar) and follow a sequence with decreasing variability toward the NDPs. The mass calculation from variability does not present segregation among the samples, and the main result is an anticorrelation found between λEdd and Fvar. In the first work, we discuss the origin of these trends, arguing that the inclination of the AGN plays a fundamental role, with NDP sources being more face-on and DP sources being more inclined with respect to the line of sight. We also discuss the bias induced by inclination in the determination of MBH and λEdd. Finally, we conclude that the Eddington ratio plays a role according to the Eigenvector 1 sequence in the FWHM(Hβ) vs. EW(Fe II)/EW(Hβ) plane, in which DP sources occupy the upper-left region (high FWHM(Hβ), while NDP sources are located in the lower part, with a tendency toward the right corner (high EW(Fe II)/EW(Hβ). In the second work, we discuss that DP sources do not necessarily host more massive SMBH than the other subsamples when bias are taken into account. We also discuss how the lower λEdd of DP sources makes them more variable, and we propose that a bias due to inclination or accretion rate may be the cause of the behavior of the Fvar parameter as a function of the investigated properties, which changes when considering the full sample compared to the subsamples analyzed separately.