The search for the most obscured active galactic nuclei with XMM-Newton and Athena

Abstract

ABSTRACT: One of the most important questions in modern astrophysics is the study of the formation and evolution of galaxies throughout the history of the Universe. In the last decades, several pieces of evidence have been found that support a coevolution of galaxies with the supermassive black hole (SMBH) that most of them (maybe every galaxy) have in their centres. Consequently, to make progress in this field it is necessary to understand the properties of these SMBH. Particularly of those in an active phase of growing (increasing their mass) accreting material from the host galaxy. They are the so-called active galactic nuclei (AGN). Of these, the most highly obscured systems are of special interest, since it is believed that during this highly obscured phase the relationship between SMBHs and their hosts was established. The obscuration is caused by a dust and gas structure, the so-called torus. The highly obscured AGN (known as Compton thick (CT)) are lost in optical surveys and, to a lesser extent, in X-ray surveys as the radiation emitted at these frequencies is absorbed. These AGN could be detected in mid-infrared wavelengths, where obscuration effect are less important. However, their study in X-rays is fundamental to determine the obscuration level. There are empirical relations in the literature that relate the mid-infrared and X-ray luminosity of AGN. The first objective of this work is to check whether these relations describe correctly the relation between luminosities for mid-infrared selected AGN samples (as the one used in this work) and to obtain our own relation otherwise. The second objective is to estimate a lower-limit for the obscuration for mid-infrared selected AGN not detected in deep X-ray exposures with the X-ray observatory XMM-Newton. The last objective is to estimate the necessary exposure times for the detection of this kind of objects with the X-ray observatories XMM-Newton and Athena. To accomplish these scientific objectives we have selected a sample in the mid-infrared composed of 91 AGN: 68 detected in X-rays with XMM-Newton, 3 detected in X-rays but with low-quality X-ray spectra and 20 AGN with no X-ray detection. As it is a sample selected in the mid-infrared it is expected to include objects with obscuration levels all over the parameter space. These AGN (23) are our sample of CT candidates. The X-ray undetected AGN and those with low-quality X-ray spectra are expected to be highly obscured or CT. For the undetected AGN we have upper-limit estimated for their X-ray fluxes. For those AGN with low-quality X-ray spectra, we have the observed luminosity (not corrected by obscuration). These measurements will be used to put constrains on the level of obscuration for these sources. First, we obtained the intrinsic X-ray luminosity (corrected by obscuration) of the CT candidates. To do that we check if the empirical relations of the literatura between X-rays and mid-infrared luminosities are valid for mid-infrared selected samples. As previous relations in the literature overestimate the X-ray luminosity of our sources we obtained our own empirical relation using the X-ray detected AGN in our sample. We obtained the intrinsic X-ray luminosity for the CT candidates assuming they follow the same relation as the X-ray detected AGN. Then the lower-limit of the obscuration of the AGN was estimated. We modelled their X-ray emission with a torus model and we used the intrinsic X-ray luminosity derived for every object from their mid-infrared luminosity. We ran simulations increasing the obscuration until the upper-limit flux or the observed luminosity was reached. Once we know the obscuration we estimated the exposure time needed to detect them with the X-ray observatories XMM-Newton and Athena. To do so we run new simulations with the same model imposing a signal-to-noise ratio threshold equal to 5 to accept the detection. In this work we have found that: a) mid-infrared selected AGN are intrinsically weak in X-rays in comparison with X-ray selected AGN, consequently traditional empirical relations overestimate their intrinsic X-ray luminosity; b) the absorption of the CT candidates is high or even extreme is most objects; c) it is not posible to detect most obscured AGN with the actual generation of X-ray observatories in a reasonable exposure time; d) Athena will be able to detect such highly obscured AGN population routinely with the extragalactic surveys planned for the mission.

RESUMEN: Una de las cuestiones más importantes de la astrofísica moderna es comprender como se han formado y han evolucionado las galaxias a lo largo de la historia del Universo. En las últimas décadas se han descubierto claras evidencias observacionales de que las galaxias crecen conjuntamente con el agujero negro supermasivo que la mayoría (quizás todas) presentan en su núcleo. Por tanto para avanzar en este campo es necesario comprender las propiedades de estos agujeros negros supermasivos. En particular de aquellos que se encuentran en una fase activa de crecimiento (aumento de su masa) acretando material de la galaxia huésped. Estos son los que se conocen como núcleos galácticos activos (por sus siglas en inglés AGN). De ellos, son de especial interés los AGNs altamente oscurecidos, pues se cree que en esta fase se establece la relación entre galaxia y agujero negro supermasivo. Este oscurecimiento es provocado por una estructura de gas y polvo denominada toro. Aquellos AGNs con oscurecimientos muy elevados – los denominados Compton Thick (CT) – se pierden en muestreos en las longitudes de onda ópticas y, en menor medida, en rayos X al estar absorbida la radiación emitida en estos rangos. Para detectar estos AGNs se suele recurrir al infrarrojo medio, donde el efecto del oscurecimiento es mucho menor. No obstante, su estudio en rayos X es fundamental para determinar el nivel de oscurecimiento. Existen relaciones empíricas en la literatura que relacionan la luminosidad de los AGNs en el infrarrojo medio y en rayos X. El primer objetivo de este trabajo es comprobar si estas relaciones describen adecuadamente la relación entre luminosidades en muestras de AGNs seleccionados en el infrarrojo medio (como la utilizada en este trabajo) y, si no, encontrar una relación propia. El segundo objetivo de este trabajo es estimar un límite inferior del oscurecimiento para AGNs seleccionados en el infrarrojo medio pero no detectados en observaciones profundas en rayos X con el observatorio espacial XMM-Newton. Por último, en este trabajo se estima el tiempo necesario para la detección de este tipo de objetos con los observatorios de rayos X XMM-Newton y Athena. Para cumplir estos objetivos científicos se dispone de una muestra seleccionada en el infrarrojo medio de 91 AGNs: 68 detectados en rayos X con XMM-Newton, 3 detectados pero con espectros de rayos X de baja calidad y 20 AGNs no detectados. Al ser una muestra seleccionada en el infrarrojo medio se espera que presente valores de oscurecimiento a lo largo del todo el espacio de parámetros. Se espera que los AGNs no detectados en rayos X o con espectros de baja calidad estén muy oscurecidos e incluso algunos de ellos sean CT. Estos (23) forman nuestra muestra de candidatos a CT. Para los AGNs no detectados en rayos X tenemos un límite superior del flujo en rayos X y para aquellos con espectro de baja calidad tenemos medidas de la luminosidad observada, no corregida por el oscurecimiento. Estas medidas se usarán para determinar el nivel de oscurecimiento. Primero se obtuvo la luminosidad intrínseca (corregida por el efecto del oscurecimiento) en rayos X para los AGNs candidatos a CT. Para ello se comprobó primero si las relaciones empíricas de la literatura entre las luminosidades en rayos X y en el infrarrojo medio son válidas para muestras de AGNs seleccionadas en el infrarrojo medio. Dado que encontramos que todas ellas sobrestimaban la luminosidad en rayos X de los AGNs detectados en rayos X, fue necesario obtener una relación empírica propia. A partir de ella se obtuvo la luminosidad intrínseca en rayos X para los AGNs candidatos a CT asumiendo que siguen la misma relación que los detectados. A continuación se estimó el límite inferior del oscurecimiento de los AGNs candidatos a CT. Para ello se modeló su emisión en rayos X con un modelo de toro y se usaron las luminosidades intrínsecas en rayos X obtenidas para cada objeto a partir de su luminosidad infrarroja. Se realizaron simulaciones en las que al modelo de toro se le fue aumentando el oscurecimiento hasta alcanzar el límite superior en flujo o la luminosidad observada. Una vez conocido su oscurecimiento se estimó el tiempo que llevaría detectarlos con los observatorios de rayos X XMM-Newton y Athena. Para ello se realizaron nuevas simulaciones con el mismo modelo de toro imponiendo un cociente señal-ruido de 5 como criterio para aceptar la detección. En este trabajo se ha encontrado que: a) los AGNs seleccionados en el infrarrojo medio son intrínsecamente débiles en rayos X frente a aquellos seleccionados en rayos X, por lo que las relaciones tradicionales sobrestiman su luminosidad intrínseca en rayos X; b) la absorción de los AGNs candidatos a CT es muy elevada e incluso extrema en la mayoría de los objetos; c) no es posible detectar los AGNs más oscurecidos de la muestra con la actual generación de observatorios de rayos X en un tiempo razonable; d) Athena será capaz de detectar la población de AGNs altamente oscurecidos de manera rutinaria en los muestreos extragalácticos planeados para la misión.