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Theses Year : 2013

Accretion processes of radio galaxies at high energies

Abstract

AGN are the luminous (L>10^42 erg/s) cores of active galaxies, powered by accretion onto the central super massive black hole, either via an accretion disk or via a radiatively inefficient accretion flow. There are still several open questions, for example on the launching of jets, which are present in about 10% of the AGN. Another question appeared with the Fermi/LAT gamma-ray survey, which detected many blazars but also a small group of radio galaxies. Radio galaxies are postulated to be blazars where the observer sees the jet at an angle θ>10 degrees allowing a view of both jet and core, rather than only the jet as is the case with blazars. Radio galaxies are divided into two classes, depending on the radio luminosity of the jets. The Fanaroff-Riley I (FR-I) sources have jets that are bright near the core, where the FR-IIs display extended edge-brightened jets. The FR-I sources are connected to the BL Lacs, which are low-luminosity blazars. FR-II types are thought to be the parent population of the luminous FSRQ, which are also blazars. This thesis presents a study of gamma-ray bright radio galaxies. By analysing X-ray and gamma-ray data in addition to creating broad-band spectral energy distributions (SEDs), we studied two examples of this new class of sources. For the FR-II source 3C 111 we analysed Suzaku/XIS and PIN and INTEGRAL IBIS/ISGRI observations to create a X-ray spectrum. We also used a Swift/BAT spectrum from the 58-month survey. The 0.4-200 keV spectrum of the source shows both thermal, Seyfert-like signatures such as an iron K-α line, and non-thermal jet features. We also analysed gamma-ray data from Fermi/LAT. The gamma-ray and X-ray data are combined with historical radio, infrared and optical observations to build the SED, which can be well represented with a non-thermal jet model. The bolometric luminosity of 3C111 is rather low, and the SED model shows rather a BL Lac type than the expected FSRQ. The next source we studied is the nearby FR-I M87. This source has been detected in gamma-rays and in the TeV band, but so far not in the hard X-rays (>10 keV). The first part of our analysis was focused on setting an upper limit to the hard X-ray emission of this source, using INTEGRAL IBIS/ISGRI observations. In addition to the standard method we applied several techniques in the analysis process, such as pointing selection and shadowgram treatment, in order to decrease the noise level of the result. Using 5.1 Ms of ISGRI data we determined a 3σ upper limit to the average 20-60 keV flux of f < 3x10^-12 erg/cm^2/s. We have also analysed Suzaku/PIN observations, where we detected M87 for the first time in the hard X-ray band, with a flux of f=1.3x 10^-11 erg/cm^2/s. between 20 and 60 keV. This detection indicates a flare, since the flux is significantly higher than the derived average upper limit. We also analysed Fermi/LAT data and combined this with the X-ray upper limits and historical radio, infrared and optical observations to build a SED. The SED can be modelled as a BL Lac source, which is expected since M87 is a FR-I type. We then also examined the general aspects of gamma-ray bright radio galaxies. Most of these objects are of the FR-I type, and the core of at least one FR-II, 3C 111, is rather BL Lac-like than the expected FSRQ. For the other FR-II sources this might also be the case. The gamma-ray emission originates from the jet, similar as in the case of blazars. Due to the large jet angle, the emission is not observed to be boosted. However, since the gamma-ray emission originates near the black hole, either reflection or a large opening angle can explain the observations. In addition, I contributed to the study of a possible dark matter halo observed with Fermi/LAT in the vicinity of the Virgo cluster. Our work has shown that a population of point sources contributes to this emission. In this thesis, the result of an extended emission analysis and the search for possible counter parts of new sources are presented. Finally, the detection of two new X-ray sources using Swift is reported here for the first time. These sources, the BL Lac object BZB J1552+0850 and the Seyfert galaxy LSBC F727-V01, are both located within the 95% error circle of the Fermi/LAT source 2FGL J1551.9+0855. We analysed the X-ray data from the XRT and UV data from the UVOT. The likely counterpart of the Fermi source is rather the blazer BZB J1552+0850, since Seyfert galaxies are rarely gamma-ray emitters. To understand the gamma-ray bright radio galaxies, X-ray observations can be used to can characterise these sources. Using for example the new generation of instruments, such as NuSTAR and ASTRO-H, will help with their superior resolution to distinguish between thermal and non-thermal emission in the X-ray spectrum. Additionally, building SEDs from simultaneous multi-wavelength observations will help constrain the broad-band emission. This will also help to pinpoint the counter part of Fermi/LAT detected sources, which is not trivial due to the large uncertainty in position.
Les NAG (Active galactic nuclei, ou noyaux actifs de galaxie) sont des noyaux galactiques lumineux (L>10^42 erg/s) au centre desquels se trouve un trou noir super massif. Leur énergie lumineuse est libérée lors de l'accrétion sur ce trou noir, soit via un disque d'accrétion, soit via un flux d'accrétion relativement inefficace. Certaines questions, notamment concernant l'origine des jets dans environ 10 % des NAG, n'ont pas encore de réponse. Le Fermi/LAT gamma-ray survey a soulevé une nouvelle question lorsqu'il a détecté un petit groupe de radio galaxies en addition à de nombreux blazars. Les radio galaxies sont séparées en deux catégories en fonction du de la luminosité de leurs jets dans le domaine radio. La catégorie Fanaroff-Riley I (FR-I) rassemble les sources dont les jets sont brillants près du noyau, tandis que les jets des sources de la catégorie FR-II sont brillants aux extrémités. Les sources FR-I sont apparentées aux BL Lacs, blazars de faible luminosité. Les FSRQ, blazars de forte luminosité, sont probablement enfantés par les sources de type FR-II. Cette thèse présente une étude de radio galaxies lumineuses dans le domaine gamma. Nous avons étudié deux exemples de ce nouveau type de sources en analysant des données X et gamma et en créant des distributions spectrales d'énergie (SED) large-bande. Pour 3C 111, de type FR -II, nous avons analysé des observations de Suzaku/XIS et PIN, ainsi que des observations d'INTEGRAL IBIS/ISGRI, pour créer un spectre dans le domaine X. Nous avons aussi utilisé un spectre mesuré par Swift/BAT lors de sa campagne d'observation de 58 mois. Le spectre résultant, qui couvre les énergies de 0,4 à 200 keV, met en évidence deux contributions : l'une thermale de type Seyfert montrant une raie de fer K-alpha, l'autre non thermale caractéristique d'un jet. Nous avons aussi analysé des données gamma de Fermi/LAT. Nous avons combiné les données X et gamma avec des données historiques dans les domaines radio, infrarouge et optiques, pour construire le SED. Ce SED est modélisé de manière satisfaisante par un jet non thermal. La luminosité bolométrique de 3C 111 est relativement faible, et le modèle SED correspond plus à une source de type BL Lac que de type FSRQ auquel nous nous attendions. La seconde source que nous avons étudiée est M87, de type FR-I. Cette source proche a été détectée dans les bandes gamma et TeV, mais pas encore en rayons X durs (> 10 keV). Nous avons concentré la première partie de notre analyse sur la limite supérieure de l'émission X de cette source en utilisant des observations d'INTEGRAL IBIS/ISGRI. En plus de la méthode habituelle, nous avons appliqué plusieurs techniques telles que "pointing selection" et "shadogram treatment" afin d'augmenter le rapport signal sur bruit. En utilisant 5,1 Ms de données ISGRI nous avons déterminé, avec une certitude de 3 sigma, une limite supérieure de f < 3x10-12 erg/cm2/s pour le flux de M87 dans la bande 20-60 keV. Notre analyse d'observations de Suzaku/PIN nous a permis d'effectuer la première détection de rayons X dur émis par M87. Celle-ci a un flux de f=1.3+0.1-0.2x 10-11 erg/cm2/s entre 20 et 60 keV. Cette détection suggeste une éruption; en effet ce flux est très supérieur à la limite supérieure que nous avons calculée. En combinant cette limite supérieure d'émission X avec des données de Fermi/LAT et données historiques radio, infrarouges et optiques, nous avons construit un SED. Celui-ci est correctement modélisé par une source de type BL Lac, conforme à nos attentes puisque M87 est de type FR-I. Nous avons alors examiné les aspects généraux des radio galaxies à forte émission gamma. La plupart de ces objets sont de type FR-I, et le noyau d'au moins une source FR-II (3C 111) est plus proche de BL Lac que de FSRQ. Il est possible que ce soit aussi le cas des autres sources FR-II. Comme dans le cas des blazars, leur émission gamma est originaire du jet. La source est trop inclinée pour que l'émission du jet apparaisse boostée. En revanche, puisque les rayons gammas sont émis à proximité du trou noir central, les observations peuvent être expliquées soit par un grand angle d'ouverture du jet, soit par réflection sur le disque. Fermi/LAT a observé un potentiel halo de matière sombre aux alentours de l'amas de la vierge. J'ai participé à l'étude de l'émission de cette source. Notre travail a mis en évidence qu'une collection de source ponctuelles contribue à cette émission. Je présente dans cette thèse le résultat de notre analyse. Pour terminer, nous rapportons la première détection de rayons X provenant de l'objet BL Lac BZB J1552+0850 et de la galaxie de Seyfert LSBC F727-V01. Nous les avons observées avec les instruments UVOT et XRT de Swift. Ces deux sources sont situées dans le rayon d'erreur de la source Fermi/LAT 2FGL J1551.9+0855. Puisque les galaxies de Seyfert émettent rarement des rayons gammas, nous avançons l'hypothèse que BZB J1552+0850 est la contrepartie UV et X de la source gamma Fermi/LAT 2FGL J1551.9+0855. L'étude du rayonnement X des radio galaxies à forte émission gamma aide à caractériser ces sources. La résolution spectrale de la nouvelle génération d'instruments tels que NuSTAR et ASTRO-H permettra de distinguer les composantes thermales et non-thermales des spectres X. Construire des spectres de distribution d'énergie à partir d'observation à plusieurs longueurs d'ondes aidera à contraindre les émissions large-bande. Cela facilitera l'assignation de contreparties visibles aux sources détectées par Fermi/LAT, tâche non triviale à cause des incertitudes de position.
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Dates and versions

tel-00914365 , version 1 (05-12-2013)

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  • HAL Id : tel-00914365 , version 1

Cite

Sandra de Jong. Accretion processes of radio galaxies at high energies. High Energy Astrophysical Phenomena [astro-ph.HE]. Observatoire de Paris, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00914365⟩
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