Identification of active galactic nuclei through different selection techniques

Abstract

The most recent studies suggest that almost all galaxies in the Local Universe host Super-Massive Black Holes (SMBHs) in their center. SMBHs are responsible for the most powerful phenomena in the Universe, the Active Galactic Nuclei (AGN). When SMBHs accrete matter, strong radiation is emitted at all wavelengths of the electromagnetic field. The complete census of the various populations of AGN and the construction of samples with high statistical significance are essential to understand the evolution of the SMBHs and the host galaxies in the history of the Universe. The present doctoral thesis focused on comparing different AGN detection techniques. In particular, AGN selection techniques based on photometric and spectroscopic data were used from different wavelength regimes of the electromagnetic spectrum (optical, infrared, X-rays) as well as techniques that are based on flux variability. Comparing the methods with each other, the observational and physical AGN properties were studied. The main conclusion is that the different methods used to identify AGN are complementary to each other and equally important in building the whole picture of the AGN population. This doctoral thesis is divided into three distinct parts according to the fields studied and the techniques applied: A. Robust identification of Active Galactic Nuclei through HST optical variability in GOODS-S: Comparison with the X-ray and mid-IR selected samplesIdentifying AGN through their X-ray emission is efficient, but necessarily biased against X-ray-faint objects. In order to characterize this bias, we compare the X-ray-selected AGN to the ones identified through optical variability and mid-IR colours. We present a catalogue of AGN selected through optical variability using all publicly available z-band Hubble Space Telescope images in the GOODS-South field. For all objects in the catalogue, we compute X-ray upper limits or discuss detections in the deepest available ~7 Ms Chandra Deep Field South images and present the Spitzer/IRAC mid-IR colours. For the variability study, we consider only sources observed over at least five epochs and over a time baseline of up to ten years. We adopt the elevated median absolute deviation as a variability indicator robust against individual outlier measurements and identify 113 variability-selected AGN candidates. Among these, 26 have an X-ray counterpart and lie within the conventional AGN area in the Fx/Fopt diagram. The candidates with X-ray upper limits are on average optically fainter, have higher redshifts compared to the X-ray detected ones and are consistent with low luminosity AGN. Out of 41 variable optical sources with IR detections, 13 fulfill the IR AGN colour selection criteria. Our work emphasizes the importance of optical variability surveys for constructing complete samples of AGN including the ones that remain undetected even by the deepest X-ray and IR surveys. The results in this field were published in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) as Pouliasis et al. (2019).B. The "Hubble Catalog of Variables": AGN identification in CANDELS and Frontier FieldsWithin the framework of the "Hubble Catalog of Variables" (HCV) project, AGN candidates were selected through variability. The purpose of the HCV program is to detect variable point-like sources as well as extended sources using data from the Hubble Source Catalog. In particular for the AGN detection, fields that have deep observations with long exposure times and have also been observed many times are necessary using all the available filters. Such are the CANDELS and Frontiers fields. The results in the GOODS-South field were used as a keystone in the selection process and confirmation and verification of the results in the latter fields. Depending on the available data from the entire electromagnetic spectrum in each field, different AGN selection methods were used to compare the results. Part of the results in the CANDELS fields were included in the publication of Bonanos et al. (2019) in the journal Astronomy & Astrophysics.C. An obscured AGN population hidden in the VIPERS galaxies: identification through spectral energy distribution decomposition The X-ray emission constitutes a reliable and efficient tool for the selection of Active Galactic Nuclei (AGN) although, it may be biased against the most heavily obscured AGN. Simple mid-IR broad-band selection criteria could identify a large number of luminous and absorbed AGN yet again host contamination could lead to non-uniform and incomplete samples. The Spectral Energy Distribution (SED) decomposition could decouple the emission from the AGN and that from star-forming regions revealing weaker AGN components. We aim to identify an obscured AGN population through SED modelling among galaxies in the VIPERS survey in the CFHTLS W1 field. We construct SEDs for 6,860 sources and identify 160 AGN at a high confidence level using a Bayesian approach. Using optical spectroscopy, we confirm the nature of ~85% of the AGN. Our AGN sample is highly complete (~92%) compared to mid-IR colour AGN, but also includes a significant number of galaxy-dominated systems with lower luminosities. In addition to lack of X-ray emission (80%), the SED fitting results suggest that the majority of the sources are obscured. We use a number of diagnostic criteria in the optical, infrared and X-ray regime to verify these results. Interestingly, only 35% of the most luminous mid-IR selected AGN have X-ray counterparts suggesting strong obscuration. Our work emphasizes the importance of using SED decomposition techniques to select a population of type II AGN, which may remain undetected by either X-ray or IR colour surveys. The results in this field have been submitted in the journal MNRAS. The conclusions derived from this thesis are that the different methods used to detect AGN are complementary to each other and equally important in determining the full picture of the AGN demographics. Each method selects AGN samples with different physical and observational properties. Mid-IR identification selects AGN with large amounts of dust around the black hole, which may obscure some or all of the X-ray emission. On the other hand, the X-ray selected AGN could not be selected in the infrared regime, as they may contain less amount of dust and often be contaminated by the host galaxy. Furthermore, the optical variability is able to identify a large number of low-luminosity AGN, especially at high redshifts, including those that remain undetectable even at the deeper observations in the X-rays or the infrared. This population is critical for studying the faint end of the AGN luminosity function and may be the key between normal galaxies and AGN. In addition, the importance of using SED decomposition techniques to detect less luminous AGN of high absorption of radiation at optical wavelengths and X-rays is emphasized, which other methods may not be as effective.

Οι πιο πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι σχεδόν όλοι οι γαλαξίες στο κοντινό Σύμπαν περιέχουν Υπέρ-Μεγέθεις Μελανές Οπές (ΥΜΜΟ) στο κέντρο τους. Οι ΥΜΜΟ είναι υπεύθυνες για τα πιο δυναμικά φαινόμενα στο Σύμπαν, τους Ενεργούς Γαλαξιακούς Πυρήνες (ΕΓΠ). Όταν ύλη πέφτει στις ΥΜΜΟ, εκλύεται ισχυρή ακτινοβολία σε όλα τα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η πλήρης καταγραφή των διάφορων πληθυσμών των ΕΓΠ και η κατασκευή δειγμάτων με μεγάλη στατιστική πληρότητα είναι απαραίτητα στην κατανόηση της εξέλιξης των μελανών οπών και των γαλαξιών στην ιστορία του Σύμπαντος. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην σύγκριση διαφορετικών τεχνικών ανίχνευσης ΕΓΠ. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ανίχνευσης ΕΓΠ βασισμένες σε φωτομετρικά και φασματοσκοπικά δεδομένα, που προέρχονται από διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (οπτικό, υπέρυθρο, ακτίνες Χ), καθώς και τεχνικές που βασίζονται στην μεταβολή της ροής. Συγκρίνοντας όλες τις μεθόδους μεταξύ τους, μελετήθηκαν οι παρατηρησιακές και φυσικές ιδιότητες των ΕΓΠ. Το συμπέρασμα που απορρέει είναι ότι οι διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των ΕΓΠ είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους και εξίσου σημαντικές για τον σχηματισμό της πλήρους εικόνας των δημογραφικών στοιχείων των ΕΓΠ. Η διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε τρία διακριτά μέρη ανάλογα με τα πεδία που μελετήθηκαν και τις τεχνικές που εφαρμόστηκαν: Α. Ανίχνευση ΕΓΠ με τη μέθοδο μεταβολής της ροής στο οπτικό φίλτρο z στο πεδίο GOODS South: Σύγκριση με τα επιλεγμένα ΕΓΠ στο υπέρυθρο και τις ακτίνες ΧΗ ανίχνευση των ΕΓΠ μέσω της εκπομπής τους στις ακτίνες Χ είναι αποτελεσματική για την εύρεση ενός μεγάλου δείγματος ΕΓΠ. ́Ομως, υπάρχει η δυνατότητα μη εντοπισμού των πιο αμυδρών πηγών. ́Ενας εναλλακτικός τρόπος είναι η μεταβλητότητα της ροής τους σε όλα τα μήκη κύματος, η οποία αποτελεί βασική ιδιότητα των ΕΓΠ και έχει αποδειχθεί ότι είναι μια αξιόπιστη μέθοδος για την εύρεσή τους, περιλαμβανομένων των ΕΓΠ μικρής φωτεινότητας. Στο πεδίο GOODS-South ανιχνεύθηκαν όλες οι μεταβλητές πηγές χρησιμοποιώντας έναν νέο δείκτη μεταβλητότητας (μέση τυπική απόκλιση) των καμπυλών φωτός όλων των πηγών στο πεδίο. Για την κατασκευή των καμπυλών φωτός χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Για την διαχείριση και ανάλυση των εικόνων, δημιουργήθηκε ένα πρόγραμμα, το όποιο αυτόματα καθαρίζει τις εικόνες από κοσμικές ακτίνες, κάνει φωτομετρία, βρίσκει αστρομετρική λύση και, τελικά, μέσω του δείκτη μεταβλητότητας δίνει έναν κατάλογο με τις μεταβλητές πηγές. Καθώς οι μεταβλητές πηγές μπορεί να περιέχουν ακόμη μεταβλητούς αστέρες ή υπέρκαινοφανείς, για να επιλεγεί ένα καθαρό δείγμα ΕΓΠ, οι παραπάνω πηγές διαχωρίστηκαν μέσω οπτικών και υπέρυθρων δεικτών χρώματος ή μέσω των χαρακτηριστικών των καμπυλών φωτός, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με ΕΓΠ που επιλέχτηκαν μέσω ακτινοβολίας στις ακτίνες Χ (Chandra X-ray Telescope) και μέσω δεικτών χρώματος στο υπέρυθρο (Spitzer-IRAC) . Με την μέθοδο μεταβλητότητας στο οπτικό φάσμα, ανιχνεύονται χαμηλής φωτεινότητας ΕΓΠ, οι οποίοι είναι οπτικά αμυδρότεροι και έχουν υψηλότερες ερυθρό-μετατοπίσεις από τους αντίστοιχους ΕΓΠ με ακτίνες Χ. Επίσης, ο πληθυσμός αυτός είναι πιο ασθενής στις ακτίνες Χ και έχει παρόμοια φωτεινότητα με αντίστοιχους ΕΓΠ χαμηλής φωτεινότητας στο κοντινό Σύμπαν, αλλά βρίσκεται σε πολύ μακρύτερη απόσταση. Τα αποτελέσματα στο συγκεκριμένο πεδίο δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS, ως Pouliasis et al. (2019).Β. Ο κατάλογος μεταβλητών του Hubble: ανίχνευση ΕΓΠ στα CANDELS και Frontier πεδία. Στα πλαίσια του προγράμματος “Hubble Catalog of Variables” (HCV), πραγματοποιήθηκε η ανίχνευση ΕΓΠ. Σκοπός του προγράμματος HCV είναι η ανίχνευση μεταβλητών σημειακών, αλλά και εκτεταμένων πηγών, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον κατάλογο πηγών του Hubble (Hubble Source Catalog). Πιο συγκεκριμένα, για την ανίχνευση ΕΓΠ χρησιμοποιήθηκαν πεδία τα οποία έχουν βαθιές παρατηρήσεις με μεγάλους χρόνους έκθεσης και επίσης έχουν παρατηρηθεί πολλές φορές χρησιμοποιώντας όλα τα διαθέσιμα φίλτρα. Τέτοια είναι τα CANDELS και Frontiers πεδία. Τα αποτελέσματα στο πεδίο GOODS-South χρησιμοποιήθηκαν ως άξονας όσον αφορά την επιλογή της διαδικασίας και την επιβεβαίωση και επαλήθευση των αποτελεσμάτων στα παραπάνω πεδία. Ανάλογα με τα διαθέσιμα δεδομένα από όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σε κάθε πεδίο, διαφορετικές μέθοδοι ανίχνευσης των ΕΓΠ χρησιμοποιήθηκαν για σύγκριση αποτελεσμάτων. Μέρος των αποτελεσμάτων στα CANDELS πεδία, περιλήφθηκαν στην δημοσίευση Bonanos et al. (2019) στο επιστημονικό περιοδικό Astronomy & Astrophysics.Γ. ́Ενας πληθυσμός ΕΓΠ μεγάλης απορρόφησης στις ακτίνες Χ και το οπτικό φάσμα, κρυμμένος στους γαλαξίες VIPERS: ανίχνευση μέσω ανάλυσης των φασματικών ενεργειακών κατανομών. Η εκπομπή ακτινών Χ ως μέθοδος ανίχνευσης των ΕΓΠ αποτελεί ένα αξιόπιστο και αποτελεσματικό εργαλείο, όμως μπορεί να μεροληπτεί έναντι των πηγών με μεγάλη απορρόφηση στις ακτίνες Χ και το οπτικό μέρος του ηλεκτρ/κού φάσματος. Απλά κριτήρια επιλογής ΕΓΠ με ευρείες μπάντες στην μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία θα μπορούσαν να αναγνωρίσουν έναν μεγάλο αριθμό φωτεινών και με μεγάλη απορρόφηση ΕΓΠ, αν και η σύγχυση με τους γαλαξίες που τα περιέχουν θα μπορούσε να οδηγήσει σε μη ομοιόμορφα και ελλιπή δείγματα. Η ανάλυση των φασματικών ενεργειακών κατανομών (ΦΕΚ) μπορεί να διαχωρίσει την μεσαία υπέρυθρη εκπομπή που προέρχεται από τους ΕΓΠ από εκείνη των περιοχών όπου ο ρυθμός σχηματισμού αστέρων είναι υψηλός και να αποκαλύψει τέτοιου είδους ΕΓΠ με ακόμη μικρότερη συνιστώσα. ’Ενας μεγάλος πληθυσμός ΕΓΠ μεγάλης απορρόφησης εντοπίστηκε χρησιμοποιώντας την ανάλυση ΦΕΚ σε ένα δείγμα γαλαξιών από το πρόγραμμα VIPERS στο πεδίο CFHTLS W1, όπου υπάρχει πληθώρα φωτομετρικών και φασματοσκοπικών δεδομένων. Κατασκευάστηκαν οι ΦΕΚ 6,860 πηγών με δεδομένα στο οπτικό (CFHTLS) και το υπέρυθρο (WISE και VHS) και με αξιόπιστες ερυθρό-μετατοπίσεις. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα μόνο γαλαξιών και, στη συνέχεια, διερευνήθηκε κατά πόσο ο έλεγχος καλής προσαρμογής μεταβάλλεται με την προσθήκη μοντέλων ΕΓΠ. Με τον συγκεκριμένο τρόπο, επιλέχθηκαν 160 ΕΓΠ χρησιμοποιώντας Μπαεσιανή προσέγγιση με υψηλό διάστημα εμπιστοσύνης (99.3%). Μελετώντας τα οπτικά φάσματα (VIPERS) και τις αντίστοιχες τεχνικές ανίχνευσης ΕΓΠ, 85% του δείγματος είναι επιβεβαιωμένοι ΕΓΠ. Το δείγμα ΕΓΠ είναι εξαιρετικά πλήρες (∼92%) σε σύγκριση με τους ΕΓΠ που έχουν επιλεχθεί στο υπέρυθρο, αλλά περιλαμβάνει επίσης έναν σημαντικό αριθμό πηγών χαμηλής φωτεινότητας με συστήματα που κυριαρχεί η ακτινοβολία του γαλαξία έναντι του ΕΓΠ. Εκτός από την έλλειψη εκπομπής ακτίνων Χ (80%), τα αποτελέσματα των ΦΕΚ υποδηλώνουν ότι η πλειοψηφία των πηγών τυγχάνει απορρόφησης μεσαίας κλίμακας στα οπτικά μήκη κύματος. Χρησιμοποιώντας ορισμένα διαγνωστικά κριτήρια στο οπτικό, υπέρυθρο και τις ακτίνες Χ, τα αποτελέσματα αυτά επαληθεύονται. Είναι ενδιαφέρον ότι μόνο το 35% των πλέον φωτεινών ΕΓΠ που έχουν επιλεχθεί στο υπέρυθρο εκπέμπουν στις ακτίνες Χ, γεγονός που υποδηλώνει ισχυρή απορρόφηση. Η γραπτή δημοσίευση για τα παραπάνω αποτελέσματα έχει ήδη κατατεθεί στο περιοδικό MNRAS ως Pouliasis et al. Τα συμπεράσματα που απορρέουν από την συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή είναι ότι οι διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των ΕΓΠ είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους και εξίσου σημαντικές για τον προσδιορισμό της πλήρους εικόνας των δημογραφικών στοιχείων των ΕΓΠ. Η κάθε μέθοδος επιλέγει δείγματα ΕΓΠ με διαφορετικές φυσικές και παρατηρησιακές ιδιότητες. Η ανίχνευση στην μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία προτιμάει ΕΓΠ με μεγάλα ποσά σκόνης γύρω από την μαύρη τρύπα, τα οποία μπορεί να αποκρύψουν μερικά ή ολικά την εκπομπή στις ακτίνες Χ. Στην αντίθετη περίπτωση, οι ΕΓΠ επιλεγμένοι στις ακτίνες Χ δύνανται να μην επιλεχθούνστην υπέρυθρη ακτινοβολία, καθώς εμπεριέχουν μικρότερα ποσά σκόνης και συχνά συγχέονται με την ακτινοβολία από τον γαλαξία που τα φιλοξενεί. Η μεταβλητότητα της ροής στο οπτικό μπορεί να αναγνωρίσει ένα μεγάλο αριθμό ΕΓΠ μικρής φωτεινότητας, ειδικότερα σε υψηλές ερυθρό-μετατοπίσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που παραμένουν μη ανιχνεύσιμοι ακόμα και στις βαθύτερες παρατηρήσεις στις ακτίνες Χ και στο υπέρυθρο. Ο πληθυσμός αυτός είναι κρίσιμος για τη μελέτη της αμυδρής περιοχής της συνάρτησης φωτεινότητας των ΕΓΠ και μπορεί να είναι το κλειδί μεταξύ των κανονικών γαλαξιών και των ΕΓΠ. Επιπρόσθετα, υπογραμμίζεται η σημασία της χρήσης τεχνικών ανάλυσης ΦΕΚ για την ανίχνευση λιγότερο φωτεινών πηγών μεγάλης απορρόφησης της ακτινοβολίας στα οπτικά μήκη κύματος και τις ακτίνες Χ, που άλλες μέθοδοι μπορεί να μην είναι τόσο αποτελεσματικές.