Μελέτη των πλατιών γραμμών απορρόφησης των Si IV και C IV στα υπεριώδη φάσματα των Broad Absorption Line Quasars

Abstract

The current thesis focuses on the study of Broad absorption Lines (BALs) of Si IV and C IV in the UV spectra of Broad Absorption line Quasars (BALQSOs). BALs identify high-velocity outflows launched from a rotating accretion disc that surrounds and feeds a central supermassive black hole. The properties of BAL material in phase space are uncertain and their origin and extreme variability remain open questions. The main problem concerning the origin of BALs is whether BALs are the product of a smooth and homogeneous outflow or the product of independent absorption components formed in individual absorbing clouds in the line of sight.In order to answer these questions the following are required: a) a model able to deblend the members of resonance doublets like Si IV and C IV and provide multicomponent fitting of the corresponding BALs, b) a method which guarantees that the number of components each BAL is analyzed into is uniquely determined, c) for each absorption component the values of the measured physical parameters (radial velocity, FWHM, optical depth at line center) must be uniquely determined, d) the development of a software able to process and incorporate all the above, e) the investigation of Si IV and C IV BAL variability which can provide useful insights about the structure of BAL outflows, i.e. whether BALs are the product of a smooth and homogeneous outflow or the product of multiple and independent components formed in clumpy gas clouds. In our study all the above requirements were met and our results indicate strongly that BALs are the product of independent components formed in clumpy gas clouds inside the turbulent and unstable quasar outflow.In the first part of the thesis we applied the proposed fitting criteria and performed multicomponent fits to Si IV and C IV BALs in a sample of 20 BALQSOs. For every absorption component we calculated the radial velocity, the FWHM and optical depth at line center. In the second part of the thesis we studied the variability of Si IV and C IV BAL components in 10 quasars of our sample. In more detail, in this work we used GR model (Danezis et al. 2003, Lyratzi et al. 2007, 2009) which can deblend the members of Si IV and C IV resonance doublets and provide the best fit of BALs through multiple components. Furthermore, the model provides the line function of every absorption component as well as the interpolation function that fits the whole BAL profile as a synthesis of multiple components. Finally, the fitting criteria of Si IV and C IV BALs, proposed in the current thesis (Stathopoulos et al. 2015, 2019) guarantee that the final fit, the number of components and the values of the measured physical parameters are uniquely determined. Finally, in order to apply all the above we developed a new software called ASTA (Tzimeas, Stathopoulos et al. 2019).Our results strongly indicate that BALs are the product of individual absorption components originating in clumpy gas clouds in the line of sight. Therefore, BAL outflows are far from being smooth and homogeneous but are rather clumpy and unstable.Based on our analysis we conclude that in each quasar Si IV and C IV BALs consist of the same number of absorption components. Each BAL trough arises from clumpy gas clouds which have similar locations, kinematic structure and physical conditions. Furthermore, Si IV and C IV originate in the same outflowing clouds which are clusters of smaller structures (called clumps).The BAL trough formation mechanism is as follows: Each clump produces an absorption line the width of which depends on the thermal and microturbulent motion of ions inside each clump. The clump absorption lines are very close in velocity space thus overlapping and producing broad components which correspond to clouds. The broad cloud components blend among themselves producing the broad absorption troughs called BALs.The main cause of BAL variability is due to changes in the optical depths of individual Si IV and C IV components. Variability occurs only in individual components of Si IV and C IV BAL troughs. None of the ten quasars exhibits variability in all of its components i.e. in its entire trough. Si IV and C IV absorption components present independent variations which is an indication for the distinction and independence of the clouds from each other. Concerning the responsible mechanism for the observed variability, our results favour the ionization change scenario to be more dominant, as we did not observe any changes in the radial velocities of clouds. An extended Summary of this work, in English, is provided in pages 5-31 of the current thesis. Furthermore, references appearing in the above text can also be found in page 201.

Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην μελέτη των πλατιών γραμμών απορρόφησης (Broad Absorption Lines-BALs) των ιόντων Si IV και C IV στα υπεριώδη φάσματα των Broad Absorption Line Quasars (BALQSOs). Τα BAL προφίλ αποτελούν την φασματική υπογραφή μιας ταχύτατα κινούμενης εκροής που πηγάζει από τον δίσκο προσαύξησης που περιβάλει μια υπερμεγέθη κεντρική μελανή οπή που εδράζεται στο κέντρο κάθε quasar και επιδεικνύουν ασυνήθιστα μεγάλα εύρη, μεγάλη ποικιλομορφία, πολυπλοκότητα και έντονη μεταβλητότητα. Οι ιδιότητες, η δομή, η προέλευση και η έντονη μεταβλητότητα του BAL υλικού παραμένουν επί σειρά δεκαετιών ανοιχτά ερωτήματα μεγάλου αστροφυσικού ενδιαφέροντος. Το σημαντικότερο ερώτημα όσον αφορά την προέλευση των BALs είναι αν αυτές είναι το προϊόν ενός ομαλού και ομοιογενούς ανέμου ή το αποτέλεσμα σύνθεσης επιμέρους συνιστωσών προερχόμενων από ανεξάρτητα νέφη απορρόφησης στη γραμμή παρατήρησης.Προκειμένου να δοθούν απαντήσεις στα ανωτέρω ανοιχτά ερωτήματα απαιτείται: α) η χρήση ενός μοντέλου ικανού να διαχωρίζει τις διπλέτες συντονισμού των Si IV και C IV και να προσομοιώνει τις BALs τους μέσω πολλαπλών συνιστωσών β) ο ακριβής και μονοσήμαντος προσδιορισμός του αριθμού αυτών των συνιστωσών φασματικών γραμμών απορρόφησης γ) o ακριβής και μονοσήμαντος προσδιορισμός των τιμών μιας σειράς παραμέτρων κάθε συνιστώσας φασματικής γραμμής όπως είναι η ακτινική ταχύτητα (Vrad), το εύρος (FWHM) και το οπτικό βάθος. δ) η δημιουργία ενός λογισμικού μέσω του οποίου να θα καθίσταται δυνατή η επεξεργασία όλων των προηγούμενων προβλημάτων, εφόσον αυτά λυθούν ε) έχοντας λύσει όλα τα προηγούμενα προβλήματα θα έπρεπε να μελετηθούν οι μεταβολές των μελετώμενων παραμέτρων όλων των συνιστωσών των γραμμών συντονισμού Si IV και C IV εφόσον οι μεταβολές αυτές αποτελούν και προϋπόθεση διερεύνησης του αν οι BALs είναι το προϊόν ενός ομαλού και ομοιογενούς ανέμου ή το αποτέλεσμα σύνθεσης επιμέρους συνιστωσών προερχόμενων από ανεξάρτητα νέφη απορρόφησης στη γραμμή παρατήρησης.Όλες οι προηγούμενες προϋποθέσεις καλύφθηκαν στην μελέτη μας καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η επικρατέστερη εκδοχή είναι ότι οι BALs δημιουργούνται από ανεξάρτητα νέφη απορρόφησης στη γραμμή παρατήρησης. που δημιουργούνται εντός της ασταθούς και ανομοιογενούς εκροής (Stathopoulos et al. 2015, 2019).Στο πρώτο μέρος της εργασίας εφαρμόστηκαν τα κριτήρια προσομοίωσης των BALs Si IV και C IV, μέσω πολλαπλών συνιστωσών, στην περίπτωση 20 BALQSOs και για κάθε συνιστώσα απορρόφησης υπολογίστηκε η ακτινική μετατόπιση (Vrad), το FWHM, και το οπτικό βάθος. Στο δεύτερο μέρος μελετήθηκε η μεταβλητότητα των παραμέτρων των συνιστωσών των BALs Si IV και C IV, μεταξύ δύο διαφορετικών εποχών, σε 10 εκ των quasar του δείγματος.Ειδικότερα, στην παρούσα εργασία γίνεται χρήση του μοντέλου GR (Danezis et al. 2003, 2007, Lyratzi et al. 2007, 2009) ενός μοντέλου ικανού να διαχωρίζει τις διπλέτες συντονισμού των Si IV και C IV και να προσομοιώνει τις BALs τους μέσω πολλαπλών συνιστωσών. Ομοίως το μοντέλο αυτό έχει την δυνατότητα να προσομοιώνει τόσο την τελική συνάρτηση γραμμής για κάθε συνιστώσα όσο και το συνολικό προφίλ της BAL, ως σύνθεση πολλαπλών συνιστωσών. Τα προηγούμενα έχουν προκύψει από την επίλυση της εξίσωσης διάδοσης της ακτινοβολίας σε σύνθετη ατμόσφαιρα αποτελούμενη από, νέφη απορρόφησης στη γραμμή παρατήρησης. Η μοναδικότητα της τελικής προσομοίωσης, του αριθμού των συνιστωσών και των τιμών των φυσικών παραμέτρων διασφαλίζεται μέσω μιας σειράς προτεινόμενων αυστηρών κριτηρίων ταυτόχρονης προσομοίωσης των BALs Si IV και C IV μέσω πολλαπλών συνιστωσών (Stathopoulos et al. 2015, 2019). Τέλος, προκειμένου να γίνει η επεξεργασία όλων των προηγουμένων κατασκευάστηκε ένα νέο λογισμικό για τις ανάγκες της μελέτης το οποίο καλείται ASTA (Tzimeas, Stathopoulos et al. 2019).Το κυρίαρχο αποτέλεσμα της μελέτης είναι ότι οι BALs δεν είναι το προϊόν ενός ομαλού και ομοιογενούς ανέμου αλλά το αποτέλεσμα σύνθεσης πολλαπλών συνιστωσών που δημιουργούνται σε νέφη απορρόφησης στη γραμμή παρατήρησης γεγονός το οποίο επιβεβαιώθηκε για πρώτη φορά μέσω της επεξεργασίας παρατηρούμενων αστρονομικών δεδομένων.Πιο συγκεκριμένα, τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα εργασία είναι τα εξής: Σε κάθε quasar οι BALs Si IV και C IV εκτείνονται στο ίδιο εύρος ταχυτήτων και αποτελούνται από τον ίδιο αριθμό συνιστωσών απορρόφησης οι οποίες δημιουργούνται σε νέφη απορρόφησης τα οποία αποτελούν σμήνη - συγκεντρώσεις μικρότερων δομών (clumps). Επιπροσθέτως, τα δύο ιόντα είναι κομμάτι της ίδιας εκροής, εκρέουν από την ίδια περιοχή και τα νέφη απορρόφησης περιέχουν και τα δύο ιόντα, ενώ τα νέφη πλάσματος χαρακτηρίζονται από παρόμοιες αποστάσεις από την μελανή οπή (βρίσκονται πολύ κοντά στο χώρο των ταχυτήτων), παρόμοια κινηματική συμπεριφορά και φυσικές συνθήκες.Ο μηχανισμός δημιουργίας των BALs και το φυσικό μοντέλο της BAL περιοχής έχουν ως εξής: κάθε clump παράγει μια γραμμή απορρόφησης το εύρος της οποίας εξαρτάται από τις θερμικές και μη θερμικές κινήσεις (microturbulence) των ιόντων εκάστου clump. Οι γραμμές απορρόφησης των clumps βρίσκονται πολύ κοντά στο χώρο των ταχυτήτων με αποτέλεσμα να επικαλύπτονται και να δημιουργούν πλατιές γραμμές απορρόφησης που αντιστοιχούν σε νέφη. Οι πλατιές γραμμές απορρόφησης των νεφών, λόγω του μεγάλου εύρους τους, με τη σειρά τους μπλέκονται μεταξύ τους δημιουργώντας τις πλατιές κοιλάδες απορρόφησης που καλούνται BALs.Η εμφάνιση μεταβλητότητας των συνιστωσών απορρόφησης των Si IV και C IV εντοπίζεται κυρίως σε αλλαγές στο οπτικό βάθος των συνιστωσών. Οι συνιστώσες απορρόφησης των BALs Si IV και C IV εμφανίζουν ανεξάρτητες μεταβολές το οποίο αποτελεί ένδειξη της διακριτότητας και ανεξαρτησίας των νεφών μεταξύ τους.Όσον αφορά τον μηχανισμό πρόκλησης της μεταβλητότητας, τα αποτελέσματά μας ευνοούν την υπόθεση περί μεταβολών στην κατάσταση ιονισμού των νεφών έναντι της κίνησης των νεφών εντός και εκτός της γραμμής παρατήρησης, δεδομένου ότι δεν παρατηρούνται μεταβολές στις ακτινικές ταχύτητες των νεφών.Εκτενής περίληψη στην Αγγλική γλώσσα υπάρχει στις σελίδες 5-31 της διατριβής. Οι ακριβείς αναφορές που εμφανίζονται στο ανωτέρω κείμενο βρίσκονται στην βιβλιογραφία της διατριβής στη σελίδα 201.