Universität zu Köln

Supermassive binary black hole systems in active galaxies

Mezcua Pallerola, Mar (2011) Supermassive binary black hole systems in active galaxies. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    According to the hierarchical galaxy formation model, galaxies grow through mergers that enhance star formation and trigger active galactic nucleus (AGN) activity. If nearly all galaxies host a supermassive black hole (SMBH) in their center, it is expected that pairs of SMBHs will be formed in the course of a merger event. The detection and number estimates of binary black hole (BBH) systems can, thus, help us to understand how galaxies form and grow, and shed light on the evolutionary models that rule the Universe. With this purpose, we pursue, in this thesis, three different lines of observational evidence for BBH systems: in X-shaped radio galaxies, in ultraluminous X- ray sources, and in double nucleus post-merger galaxies. X-shaped radio galaxies are a class of peculiar radio sources which exhibit two pairs of radio lobes that pass symmetrically through the center of the host galaxy, giving the galaxy the X-shaped morphology seen on radio maps. This morphology has been suggested to reflect either a recent merger of two SMBHs or the presence of a second active BH in the galactic nucleus. This scenario is tested in this thesis by a multifaceted study that combines measurements of radio and optical luminosity, estimates of the black hole masses and ages of the radio lobes, and assessments of the starburst histories in the X-shaped radio sources and their host galaxies. The study covers a sample of 38 X-shaped radio galaxies and a control sample of 36 radio-loud active nuclei with similar redshift and optical and radio luminosities. The optical spectra of the host galaxies are modeled using a linear combination of synthetic stellar populations that provides the stellar velocity dispersion (from which the BH mass can be derived) and the light fraction, mass fraction, and metallicity of the stellar populations. From these, the starburst history of the galaxies is derived. The dynamic age of the active lobes is also estimated, from their angular size on the radio maps. A statistical study of all these properties reveals that all the X-shaped sources in the sample are found in elliptical galaxies, their BH masses are on average higher than those in a control sample of radio-loud AGN, and they exhibit enhanced star formation activity on timescales expected in galactic mergers. These results yield further support to the merger scenario as the origin of the peculiar X-shaped radio morphology. Ultraluminous X-ray sources (ULX) have also been suggested to be related to BBH systems in post-merger galaxies. The high X-ray luminosity of ULXs cannot be explained by stellar evolution models, unless they were X-ray binaries with super-Eddington accretion, strong beaming effects, or in an ultraluminous state. Alternatively, ULXs have been suggested to be intermediate-mass black holes (IMBH) accreting at sub-Eddington rates, young supernovae, or secondary BHs in the course a merger event with the ULX host galaxy. In order to clarify which is the most likely scenario, the BH mass of those ULXs with radio counterparts detected has been estimated from the location of the ULXs in the black hole fundamental plane. We find that the 19 ULXs studied have estimated BH masses in the range 10^3–10^8 M⊙, and that 58% of them have estimated BH masses in the range 10^2–10^5 M⊙ expected for IMBHs. We also perform high-resolution VLBI radio observations of three ULXs with radio counterparts. This yields a better constraint of the BH mass of two of them and the resolved structure of one of the youngest known supernova remnants. The third class of objects likely to host BBH systems are the galaxies with double nucleus (double nucleus galaxies). According to the models that describe the evolution of BBH systems, the luminosity of the two nuclei is expected to be affected by an enhancement of the accretion rate due to tidal effects and by accretion disk disruption. This is tested, in this thesis, with the study of the optical luminosities of a sample of 54 post-merger galaxies with double nucleus. The luminosity of each of the nuclei and their relative separation is derived from the fit of two gaussian components (PSF fitting) to the g, r, and u-band images of the center of these post-merger galaxies, while the luminosity of the host galaxy is obtained from SDSS optical photometry. As a result of the PSF fitting, we find that in 19 post-merger galaxies the two nuclei are physically separated by ≤ 1 kpc. These sources are, thus, potential sub-kpc scale AGN pairs. Secondly, we find that the nuclear luminosity is correlated with the luminosity of the host galaxy due to a tidal enhancement of the accretion rate, but that another mechanism is also affecting the luminosity trends observed. We suggest that accretion disk stripping is also at play, and estimate that it should take place at a binding radius between 1 and 3 kpc. A fit by a BBH model, which takes into account tidal enhancement as well as accretion disk disruption, supports these results, obtaining that the accretion disk of both the primary and the secondary nucleus are being disrupted in all the sources. The model also finds that the two nuclei become gravitationally bound when they are at a projected separation of 2.3 kpc, which is the case for 60% of the galaxies studied. We also find that the value of the power-law spectral index of the accretion disk derived from the fit is in agreement with the ones of AGN with a peak in the optical-UV band (big blue bump) of their spectral energy distribution. In order to test the BBH scenario in the ULXs with radio counterparts detected, the results of the BBH fit obtained for double nucleus post-merger galaxies are also applied to the X-ray luminosity dependence of the ULXs on the nuclear separation to their host galaxy. The observed trend between ULX luminosity and nuclear distance is in agreement with the BBH model, supporting the BBH scenario for the ULX sources studied. Overall, the results of our study indicate that the activity of the secondary black holes is rapidly quenched in post-merger galaxies, which explains the very low detection rate for the secondaries. Based on the results of our study, more effective approaches for detecting the secondaries have been derived, and these approaches will be now pursued at a number of optical and radio astronomical facilities, including the VLT, the EVLA, and the VLBA.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Nach dem hierarchischen Galaxienentstehungsmodell wachsen Galaxien durch Fusionen, die Sternentstehung erhöhen und aktiven galaktischen Kernen (AGN) Aktivität verleihen. Wenn fast alle Galaxien ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) in ihrer Mitte aufweisen, ist davon auszugehen, dass Paare von SMBHs im Zuge einer Verschmelzung (‘Merger’) gebildet werden. Der Nachweis und die Anzahl von binären Schwarzen Loch (BBH)-Systemen ko ̈nnen uns somit helfen, zu verstehen, wie Galaxien entstehen und wachsen und die Evolutionsmodelle, die das Universum regieren, zu erhellen. Zu diesem Zweck verfolgen wir in dieser Arbeit drei verschiedene Ansätze für den beobachtbaren Nachweis von BBH-Systemen: in X-förmigen Radiogalaxien, in ultrahellen Röntgenquellen und in Doppel-Kern Post-Merger-Galaxien. X-förmige Radiogalaxien sind eine besondere Klasse von Radioquellen. Sie besitzen zwei Paare von Radiokeulen, die symmetrisch durch das Zentrum der Galaxie gehen und der Galaxie ein X-förmiges Aussehen in den Radiobeobachtungen verleihen. Diese Morphologie wurde vorgeschlagen, um entweder einer vor kurzem erfolgten Fusion von zwei SMBHs oder das Vorhandensein eines zweiten aktiven BH in den galaktischen Kern wiederzugeben. Dieses Szenario ist in dieser Arbeit durch eine facettenreiche Studie, die Messungen der Leuchtkraft im Radio und im Optischen mit Scha ̈tzungen der BH Masse, des Alters der Radiokeulen und der Sternentstehungsgeschichte in den X-förmigen Radioquellen und deren Muttergalaxie kombiniert, getestet worden. Die Studie umfasst eine Stichprobe von 38 X-förmigen Radiogalaxien und einer Kontrollprobe von 36 radiolauten aktiven Kernen mit ähnlicher Rotverschiebung und Helligkeiten im Radio und Optischen Bereich. Die optischen Spektren der Galaxien werden modelliert unter Verwendung einer linearen Kombination von synthetischen stellaren Populationen, welche die stellare Geschwindigkeitsdispersion (aus dem die BH Masse abgeleitet werden kann), den Licht und Massenanteil sowie die Metallizität der stellaren Populationen liefert. Von diesen wird die Sternentstehungsgeschichte der Galaxien abgeleitet. Das dynamische Alter der aktiven Radiokeulen wird über ihre Winkelgröße in den Radio Karten abgeschätzt. Eine statistische Untersuchung aller dieser Eigenschaften zeigt, dass alle X-förmige Quellen in der Probe in elliptischen Galaxien zu finden sind, ihre BH-Massen im Durchschnitt höher sind als die in einer Kontrollprobe von radiolauten AGN und sie weisen eine verbesserte Sternbildungsrate innerhalb von Zeitskalen, die in galaktischen Fusionen zu erwarten sind, auf. Diese Ergebnisse liefern weitere Untermauerung für das Merger Szenario als den Ursprung der besonderen X- förmigen Radio Morphologie. Ultrahelle Röntgenquellen (ULX) sind ebenfalls vorgeschlagen worden, im Zusammenhang mit BBH-Systemen in Post-Merger-Galaxien zu stehen. Die hohe Röntgenleuchtkraft der ULXs kann nicht durch Sternentwicklungsmodelle erkla ̈rt werden, sofern sie nicht Röntgendoppelsterne mit super-Eddington Akkretion, starken strahlenden Effekten oder in einem ultrahellen Zustand waren. Alternativ wurden ULXs vorgeschlagen, mittelschwere Schwarzer Löcher(IMBH), die mit sub-Eddington Rate wachsen, jungen Supernovae oder sekundären BHs, die entstehen im Zuge einer Verschmelzung mit dem ULX Galaxie, zu sein. Um zu erkla ̈ren, welches das wahrscheinlichste Szenario ist, wurde die BH Masse der ULXs mit beobachteten Radio Pendants von der Lage des ULXs in der Schwarzen-Loch-Fundamentalebene abgeschätzt. Wir fanden, dass die 19 studierten ULXs BH-Massen im Bereich von 10^3-10^8 M⊙ besitzen und dass 58% von ihnen eine geschätzte BH Masse aufweisen, die für IMBHs erwartet wird. Wir fu ̈hren auch hochauflo ̈sende VLBI Beobachtungen im Radiobereich von drei ULXs mit Radio Pendants durch. Dies führt zu einer besseren Einschränkung der BH Masse von zwei von ihnen und zu der aufgelösten Struktur eines der jüngsten bekannten Supernovaüberreste. Die dritte Klasse von Objekten für mögliche BBH Host-Systeme sind die Galaxien mit Doppelkernen. Nach den Modellen, die die Entwicklung der BBH Systeme beschreiben, wird angenommen, dass die Leuchtkraft der beiden Kerne durch eine Erhöhung der Akkretionsrate aufgrund von Gezeiteneffekten und auch durch Akkretionsscheibenstörung beeinflusst wird. Dies testen wir in dieser Arbeit mit dem Studium der optischen Leuchtkraft von 54 Post- Merger-Galaxien mit Doppelkernen. Die Leuchtkraft der einzelnen Kerne und ihr relative Abstand wird aus der Modellierung der Zentren der Post- Merger-Galaxien aus den g, r, und u-Band-Bilder mit zwei Gauss-förmigen Komponenten bestimmt (PSF Fitting), wa ̈hrend die Leuchtkraft der Galaxie von der optischen Photometrie des SDSS ermittelt wird. Als Ergebnis des PSF Fitting finden wir, dass in 19 Post-Merger-Galaxien die beiden Kerne mit ≤1 kpc getrennt sind. Diese Quellen sind damit potenzielle sub-kpc Skala AGN-Paare. Zweitens finden wir, dass die nukleare Leuchtkraft mit der Leuchtkraft der Galaxie durch eine Gezeitenerho ̈hung der Akkretionsrate korreliert ist, jedoch beeinflusst ein weiterer Mechanismus die beobachteten Leuchtkraftverläufe. Wir vermuten das Zerbrechen der Akkretionsscheibe und schätzen, dass es bei einem Bindungsradius zwischen 1 und 3 kpc stattfindet. Eine Modellierung mittels eines BBH-Models, welches eine Erhöhung der Gezeitenwechselwirkung sowie Akkretionsscheibensto ̈rungen berücksichtigt, unterstützt diese Ergebnisse und zeigt, dass die Akkretions- scheibe des primären und des sekundären Kernes in allen Quellen gestört ist. Das Modell ergibt auch, dass die beiden Kerne gravitativ gebunden sind, wenn sie sich bei einem projizierten Abstand von 2,3 kpc befinden, was für 60% der studierten Galaxien gilt. Wir finden auch, dass der spektrale Index der Akkretionsscheibe, bestimmt aus der Modellierung, in Übereinstimmung mit denen der AGN, die ihren Maximum in der spektralen Energieverteilung im optischen-UV-Band (“big blue bump”) besitzen, übereinstimmt. Um das BBH-Szenario in den ULXs mit Radio Pendants zu testen, wenden wir die Ergebnisse der BBH Modellierung fu ̈r Doppel-Kern Post-Merger- Galaxien auf die Beziehung zwischen Röntgenleuchtkraft der ULXs und dem Kernabstand zu ihrer Muttergalaxie an. Der beobachtete Trend zwischen der ULX Leuchtkraft und ihrem Kernabstand ist in Übereinstimmung mit dem BBH-Modell. Dies unterstützt das BBH-Szenario für die studierten ULX Quellen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse unserer Studie, dass die Aktivität der sekundären Schwarzen Löcher rasch in Post-Merger-Galaxien abklingt, was die sehr niedrige Erkennungsrate für die sekundären BH erklärt. Basierend auf den Ergebnissen unserer Studie sind effektivere Ansätze zur Erfassung der sekundären BH entwickelt worden und diese Ansätze werden nun in einer Reihe von optischen und Radioastronomischen Einrichtungen, einschließlich des VLT, des EVLA und des VLBA angewendet.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Mezcua Pallerola, Marmmezcua@mpifr.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-44490
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Galaxies, black holes, merger, evolution, optical, X-rays, radio, AGNEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 24 November 2011
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 18 October 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 08 Dec 2011 14:21:29
    Referee
    NameAcademic Title
    Eckart, AndreasProf. Dr.
    Zensus, AntonProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4449

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