Estudio de la población de núcleos activos de galaxias en cartografiados profundos

Resumen

Active Galactic Nuclei (AGN) play an important role in many aspects of modern cosmology. One of the fundamental goals in cosmology is to determine the fraction of galaxies having AGN as a function of its morphology, environment, redshift, etc., and conversely, to determine how an AGN affects other galaxy properties, and which is the mechanism of its feeding, as such observations place constraints on models of galaxy formation and evolution. Therefore, the issue of the interplay between the AGN and their host galaxies is of particular interest for observational cosmology. Indeed they can provide the answers to some of the still fundamental questions, including the effect of the AGN on its host galaxy and conversely, the environment and clustering properties of AGN host galaxies, the origin of the accretion material, etc., putting therefore important constraints on their triggering mechanisms, black hole evolution, and cosmic accretion history. The main objective of this thesis is to provide further clues, and to understand better the two following fundamental and still unresolved issues: (i) the connection between the AGN and its host galaxy, and (ii) the evolution of their properties throughout cosmic time. To reach the proposed objectives, a large sample of X-ray detected AGN has been selected, and the properties of these AGN have been analysed using both optical and X-ray data. The combination of these two spectral ranges is of special importance in order to achieve the aims of this thesis. On the one hand, deep X-ray extragalactic surveys constitute one of the most useful tools to detect the population of AGN, providing the most complete samples of these sources. On the other hand, optical imaging data are essential to reveal the nature of AGN host galaxies, as well as to provide the photometric redshift information in order to study the AGN evolution. Therefore, the combination of X-ray and optical data allows successfully tackling the study of the AGN population and their evolution. Deep X--ray data have been used to select the sample of AGN to be studied in this thesis. Moreover, different populations of AGN have been classified using their properties in X-rays. After defining the sample, a detailed analysis of morphology and colours have been carried out using a large sample of AGN optical counterparts. The connection between the AGN and their host galaxies has been studied by analysing the relationships between the host properties (e.g., morphology, colours) and the AGN properties (e.g., X/O, hardness ratio). Moreover, the local environments of AGN can provide valuable clues regarding their host properties, formation, and evolution, and have been studied in this work as well. The photometric redshifts have been obtained as well for a large sample of AGN, in order to provide further clues on the evolution of AGN properties throughout cosmic history. Finally, the AGN space distribution and luminosity functions have been analysed in both the X-ray and optical ranges in order to study the AGN evolution. The luminosity functions have been derived as a function of redshift for the complete sample of AGN and for different morphological and nuclear types. The main results obtained in this thesis are the following: first, although most AGN reside in bulge-dominated galaxies, a significant population (>30%) is found in disc-dominated hosts, suggesting that different mechanisms can put the galaxy in an active phase. Second, by analysing the colour-magnitude diagrams, it has been confirmed that a major population of AGN is located in the red sequence and in the 'green valley', being therefore the transition population from star-forming to early-type galaxies. On the other, when compared with previous works, a larger population of AGN belonging to the blue cloud has been found. Third, it has been obtained that the environment plays an important role in AGN phenomenon for both the X-ray type-1 and type-2 sources detected in both the soft and hard X-rays. Fourth, studying the relationship between the AGN and its host parameters, it has been found for the first time an anticorrelation between the galaxy light concentration and X-ray-to-optical flux ratio, suggesting that early-type galaxies, having poor matter supply to feed the activity, have lower accretion rates than those of late-type, with larger reserves of gas for AGN feeding. Finally, a strong evolution of AGN with luminosity and/or density has been found in both the X-ray and optical bands. Version española: Los núcleos activos de galaxias (en lo sucesivo referidos por su abreviatura inglesa, AGN), juegan un importante papel en varios aspectos de la cosmología moderna. Uno de los objetivos fundamentales de la cosmología es determinar la fracción de galaxias con núcleo activo en función de su morfología, entorno, desplazamiento al rojo, etc, y a la inversa, determinar cómo la presencia de un núcleo activo afecta a otras propiedades de la galaxia, y cúal es su mecanismo de alimentación, para poder restringir los modelos de formación de galaxias y su evolución. Así pues, la interrelación entre el núcleo activo y su galaxia anfitriona es de gran interés para la cosmología observacional. Más en concreto, los núcleos activos de galaxias pueden darnos respuesta a alguna de sus cuestiones fundamentales, incluyendo el efecto del AGN en su galaxia anfitriona y a la inversa, el entorno y las propiedades de agrupamiento de las galaxias anfitrionas de AGN, el origen del material acrecido, etc, restringiendo sus mecanismos de alimentación, la evolución del agujero negro central y su historia de acrecimiento. El objetivo fundamental de esta tesis es entender mejor y avanzar en dos de los problemas fundamentales aún sin resolver de los núcleos activos de galaxias: (i) la conexión entre el AGN y su galaxia anfitriona y (ii) la evolución de sus propiedades a través del tiempo cósmico. Para alcanzar los objetivos propuestos, se ha seleccionado una muestra grande de AGNs a partir de su emisión en rayos X y se han analizado tanto sus propiedades en el rango visible como en rayos X. Para llegar a los fines planteados, el uso de ambos rangos del espectro es de especial importancia. Por un lado, los cartografiados extragalácticos profundos en rayos X constituyen uno de los métodos más eficientes para detectar la población de AGN, proporcionando las muestras más completas de este tipo de fuentes. Por otro lado, las imágenes en el dominio visible son esenciales para revelar la naturaleza de las galaxias anfitrionas de los AGN, y obtener el desplazamiento al rojo fotométrico de las mismas, con lo que se puede estudiar la evolución de los núcleos activos. Así pues, la combinación de datos en el rango visible y en rayos X permite abordar con éxito el estudio de la población de AGN y su evolución. A partir de los datos en rayos X se han seleccionado las muestras de AGN a analizar en esta tesis doctoral. También se han clasificado en función de sus propiedades en rayos X. Una vez definida la muestra, se ha llevado a cabo un análisis detallado de la morfología y colores de las contrapartidas visibles de la muestra de AGN, puesto que dichas caraterísticas son dos de los parámetros principales que caracterizan las galaxias anfitrionas. La conexión entre el AGN y sus galaxias anfitrionas ha sido estudiada analizando las relaciones entre las propiedades ópticas de la galaxia anfitriona (morfología, colores, flujos) y las propiedades del núcleo activo en rayos X (flujo, relación de dureza). Además, se ha abordado un estudio del entorno local de los AGN, teniendo en cuenta las propiedades de la galaxia anfitriona, su formación y evolución. También se han obtenido los desplazamientos al rojo fotométricos de la muestra de AGN, para poder analizar la evolución de las propiedades de los AGN (y sus galaxias anfitrionas) a través del tiempo. Por último, para estudiar la evolución de los núcleos activos de galaxias, se han analizado su distribución en el espacio y su función de luminosidad, tanto en rayos X como en el rango óptico. Se han obtenido las funciones de luminosidad para la muestra total y para los distintos tipos de AGN y los distintos tipos morfológicos y para distintos desplazamientos al rojo. Las principales conclusiones de este trabajo son las siguientes: en primer lugar, aunque la mayoría de núcleos activos residen en galaxias dominadas por bulbo, hay una población significativa (> 30\%) que se encuentra en galaxias anfitrionas dominadas por disco, sugiriendo que puede haber diferentes mecanismos que enciendan la actividad del núcleo. En segundo lugar, hemos confirmado que la mayor parte de la población de AGN está localizada en la secuencia roja y en el valle verde ("green valley") del diagrama color/magnitud, esto es, en la población de transición entre galaxias con formación estelar y galaxias de tipo temprano. En este trabajo se ha encontrado también que la población de AGN en la nube azul es más grande que la encontrada en trabajos previos. En tercer lugar, se ha obtenido que el entorno juega un importante papel en el fenómeno AGN tanto para las AGN de tipo 1 como de tipo 2 (en rayos X). En cuarto lugar, se ha encontrado por primera vez una anticorrelación entre la concentración de luz en la galaxia y la relación entre flujos en rayos X y óptico, sugiriendo que las galaxias de tipo temprano tienen poco material para alimentar el AGN, y por tanto un ritmo de acrecimiento más bajo, mientras que las galaxias de tipo tardío tienen más reservas de gas para la alimentación del núcleo activo. Finalmente, se ha encontrado una fuerte evolución de los AGN con la luminosidad y/o con la densidad, tanto en rayos X como en bandas visibles.