X-ray studies on active galactic nuclei evolution and Abell 4059 galaxy cluster

Abstract

Supermassive black holes (BHs) weighing up to 10^9 times solar mass are found in the central regions of almost all galaxies and have probably played a major role in galaxy regions formation and evolution. When the supermassive black holes accrete material, a substantial fraction of the binding energy of the infalling matter can be radiated away, Based no this BH paradigm, the nucleus of the galaxy increases enormously in luminosity and becomes visible as a so-called active galactic nucleus (AGN), The AGN/QSO luminosity function (LF) and its evolution with cosmic time are key observational quantities for understanding the origin of and accretion history onto supermassive BHs, which are now believed to occupy the centers of most galaxies. This study has been a main goal of X-ray surveys, since X-ray emission is one of the prominent characters of the AGN activity. Another interesting connection between AGNs and the evolution of the Universe comes from studying clusters of galaxies. Powerful AGN are often found to reside in cD galaxies that lie at the center of rich clusters of galaxies. The cluster gas cools and flows to the cluster center. However, although the cooled gas at the cluster center should in principle be detectable, even with high spatial and spectral resolution of X-ray telescopes in space such as Chandra and XMN-Newton, no cold gas has been found. The high-resolution X-ray spectroscopy and imaging require major modifications to the standard cooling flow models. The absence of the cold gas strongly suggests the presence of a non-gravitational heat source in clusters of galaxies. One possibility is, that the supermassive black hole in the giant central galaxies (e.g. AGN) significantly energizes the gas into the got cluster gas, providing enormous energy equivalent to about 10 times supernovae explosion. The main subjects of this thesis explore how the AGN population and their central supermassive black holes evolve with cosmological time (Chapter 2) and understand how the central AGN interacts with the galaxy cluster by an -ray investigation with Chandra X-ray Observatory (CXO) (Chapter 3). Chapter 1 introduces the current understanding of these subjects. Next, Chapter 2 introduces a spectrum-luminosity correlation as a new input parameter and adopt the estimated mass function(MF) of massive black holes in centers of nearby galactic nuclei as a constraint to distinguish among different AGN/QSO models. Three basic types of phenomenological scenarios are explored:(1)models with a multiple short-lived(~ a few 10^6-8 populations. (2) models with an single long lived (~ 10^9 yrs) QSP populations,(3) models with recurrent AGN/QSO activities which are driven by long-term variabilities of the disk instability type. In each model, we derive the expected theoretical LF and the MF of black holes which grow through mass accretion. Finally, we assess the plausibility of each model based on whether each model's LF and MF are compatible with the observational data and the chapter ends with a review of recent publications on this study. Chapter 3 describes a detailed analysis of a Chandra observation of the galaxy cluster Abell 4059. It also presents new 1.4GHz and 4.7GHz CnB-array radio data from the Very Large Array (VLA), as well as a short archival WFPC2 image from the Hubble Space Telescope (HST). Through the imaging and spectroscopy investigations, we show that Abell 4059 displays significant morphological complexity and we find the interaction of the cooling intracluster medium with the central cluster radio active galaxy, PKS 2354-35. In the last section of this chapter, the observational results are summarized and possible models for this source are discussed. The thesis concludes with an outlook on future work (Chapter 4).;활동성 은하핵(active galactic nuclei, AGN)은 중심의 비교적 작은 영역에서 정상나선은하의 대략1000qo에 이르는 에너지를 방출하는 우주에서 가장 밝으면서도 수명이 매우 긴 천체이다. 현재, 이 격렬한 사건에 대해 가장 잘 설명해주는 모형은 블랙홀 모형으로서, 거대질량을 갖는 블랙홀이 있어 주변 물질들이 막대한 중력에 의해 끌려 들어가는 원반-강착(disk-accretion)과정을 통해 중력에너지가 복사에너지로 전환되면서 고에너지가 방출되는 것이다. 이 블랙홀은 태양질량의 10^7 - 10^9배에 이르는 질량을 갖고 있고, 가까이 있는 거의 모든 은하의 중심에 있는 것으로 여겨지고 있다. AGN은 모든 은하 중에서 극히 적은 일부에 속한다. 그러나 우리은하와 같은 정상은하에서도 규모는 작지만 유사한 천체, 즉 블랙홀(태양질량의 10^6 배에 이르는)이 존재한다는 증거가 있다. 그렇다면 과연 이들 AGN과 정상은하는 그 형성에 있어 어떤 연관성이 있는가 하는 진화론적인 의문이 생긴다. 본 연구는 블랙홀 모형의 이론적 연구와 수많은 관측의 결합을 통해서 AGN 중심의 거대블랙홀 주위에서의 물리적 과정들에 대해서 이해하고, 개발된 모형을 기반으로 해서 AGN의 광도에 따른 개수분포(즉, 광도함수)와 블랙홀의 질량에 따른 개수분포(즉, 질량함수)를 얻어 관측치와 비교하는 것으로, 예상되는 모든 가능한 모형들을 연구하였다. 이를 통하여 AGN의 형성과 우주론적인 진화에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과 AGN들은 짧은 일생(수백만년에서 수천만년 정도의)을 통해 태어나고 죽는 일련의 과정을 여러차례 반복하는 과정에서 현재의 관측결과를 보인다는 결론을 내렸다. 또한 블랙홀 모형과 우리은하 내 블랙홀 후보(Galactic black hole candidate)들의 관측치로부터 AGN이 그 광도의 진화와 더불어 그 스펙트럼상태(spectral state)역시 함께 진화할 것이라는 새로운 가정은 검증이 불가능하다는 결론은 얻었다. 한편, AGN과 우주의 진화간의 연관성 연구라는 관점에서 또 다른 재미있는 접근은 은하단 (galaxy cluster; 수백만 광년의 반경 내에 수백개의 은하가 중력에 의해 모여있는 거대구조)의 연구이다. 은하단은 우주에서 가장 크고 무거운 (태양질량의 10^15배) 천체이다. 이 은하단 중심에는 거대한 밝은 타원은하가 주로 발견되고 있고 그 중심에 AGN(특히 강한 전파원인 은하)이 발견되고 있다. 2000년 이후 최근까지도 관측을 수행중인 챤드라(Chandra)X선 망원경은 0.5"의 높은 공간 분해능을 지니고 있어서, 전파은하에서 발견되는 거대한 에너지의 돌출부(lobe)구조와 제트 흐름으로부터 그들이 은하단과 상호영향을 끼치고 있다는 이론적 연구를 뒷받침하는 관측결과를 쏟아내고 있다. 이에 따르면 은하단이라는 거대구조가 은하의 기원과 진화에 중요한 역할을 하고 있다는 것을 알 수 있다. 은하단과 중심에 위치한 AGN의 상호작용을 보여주는 강한 증거로 X선 방출이 매우 적은 공간인 빈터(cavity)를 보여주고 있다. AGN이 활동을 시작한 후에 핵으로부터의 전파 제트에 의해서 생긴 돌출부는 임자(host)은하단 내에 있는 뜨거운 은하간 물질(ICM)안으로 확장되고 이 때 충격받은 ICM이 그 표면에서 껍질모양을 이룬다. 이것이 관측적으로는 X선 영역에서 빈터로 나타나게 된다는 이론적인 모형이 널리 알려져 있다. 본 연구에서는 은하단 중의 하나인 Abell 4059의 X선 영역을 챤드라로 새롭게 관측하여 이 이론적 모형을 뒷받침 하고자 했다. 챤드라의 분광 및 이미지 검출기인 ACIS로부터 얻은 데이터를 이용하여 매우 자세하고도 복잡한 은하단 구조를 얻게 되었고 이미지와 분광 분석을 통해서 Abell 4059의 구조적 특성, 표면밝기와 (surface brightness) 온도, 기체의 밀도 등과 같은 물리적 특성을 얻었다. 또한 다양한 에너지 영역에서 다각적 분석을 위해서 VLA(전파영역 관측을 위한 지상 간섭계의 일종)의 CnB배열을 이용한 4.7, 1.4GHz 영역의 데이터를 각각 새롭게 얻었고 허블망원경으로 얻은 광학 데이터도 함께 이용하였다. 그 결과, Abell 4059에서 보여지는 빈터는 중심에 위치한 전파은하의 과거 활동으로 인해 생긴 흔적으로 여겨진다. 또한 강한 충격파로 인해 형성되었다는 흔적은 볼 수가 없었다. 이 중심의 전파원은 적어도 3 * 10^44 erg s^-1 에 이르는 광도를 내고 있고 이는 은하단 내에서 일어나는 것으로 여겨지는 냉각흐름 (은하단 공간 내의 뜨거운 기체가 빠른 속도로 복사 냉각을 이루며 중심으로의 물질의 유입을 일컬음)에 영향을 끼치기에 충분하다는 것을 알았다. 또한 Abell 4059에서 드러난 중심의 차갑고도 밀도가 매우 놓은 독특한 구조는 이미 존재하고 있던 거대한 은하간 물질의 흐름의 영향을 보여주고 있다는 모형을 제시하였다.