X-ray overview of INTEGRAL Blazars

Radio Loud (RL) quasars represent a small percentage (~10%) of all Active Galactic Nuclei (AGN) with a strong radio emission. We aimed to study the X-ray and hard X-ray emission from a subclass of these objects: the Blazars. The Blazar objects are AGNs with a jet of plasma (largely formed by electrons and protons) emitting at low angles with respect the line-ofsight. This class of AGN include BL Lacertae objects (BL Lac) and Flat- Spectrum Radio Quasars (FSRQ). The intrinsic differences between two types of sources are been found in their optical spectra and in the intensity of their emission: a BL Lac source does not show any optical emission lines (EW < 5°A) and this class of objects is essentially a low-power blazar (LBol~1046 − 1047 erg s−1), whereas a FSRQ source shows significant emission line equivalent widths and corresponding to a high-power blazar (LBol~1048 erg s−1). In general, the spectrum of an AGN in the X-rays band is usually well described by a power-law with a specific flux (i.e. per unit energy interval) of the form N(E) / E−Gamma, where E is the energy, N(E) is the number of photons in units of s−1 cm−2 keV−1 and Gamma is called the photon index. Despite this general view, X-ray spectra of the Blazars show some deviations from the simple power-law. These spectral signatures appear in the soft X-ray band with a curvature (a flattening or a steepening of the spectrum). In addition, the presence of Compton reflection components - most notably the Fe K-alpha emission line and the Compton reflection ”hump” peaked at about 20−30 keV - in RL objects is still debated. To date a clear physical interpretation of these features has not yet been found. We report in this work the results of a broad-band (0.2 − 100 keV) study of X- ray emission from a selected sample of 11 Blazars detected by INTEGRAL: 1ES 0033+595, 3C 273, 3C 279, 4C 04.42, BL Lac, IGR J22517+2218, PKS 0537-286, PKS 1830-211, PKS 2149-306, QSO B0836- 710 and Swift J1656.3-3302. The INTEGRAL observatory, because of the large field of view and high spectral resolution of its instruments, is ideal to study the high energy emission (above 10 keV). Present PhD work was aimed to the investigation of this hard X-rays selected sample, by taking advantage of the availability of the INTEGRAL, Swift and XMM-Newton data. After data reduction procedure, we performed a detailed temporal and spectral analysis for all sources in the sample. The scientific results can be summarized as follows: • the broad-band spectra of all selected sources - but two, the FSRQs 4C 04.42 and 3C 273 - are well reproduced with a power-law model absorbed by an amount of gas in excess to the Galactic one (NH ~ 1020 − 1023 cm−2). This result provides plain evidence to the fact that by using the INTEGRAL high-energies data the highly absorbed sources can be more easily detected. Moreover, the absorption seems to be a signature of a cold intrinsic absorber, confirming and extending previous results quoted in the literature. Present work provides a further confirmation of the existence of a NH-redshift trend; • with regard to continuum emission we found that the broad-band analysis of our sample of Blazars revealed a harder spectrum with a photonindex of the order of 1.4, with respect to the mean value of the spectral index obtained by Page et al. (2005) with XMM data of a statistically sizeable sample of RL objects. Such a difference could be due to the hard X-ray selection of our INTEGRAL sample that is clearly biased towards flatter values of the photon index as shown by previous results; • in our analysis we have find two case (4C 04.42 and 3C 273) of excess of soft X-ray counts with respect to the simple power-law model (in other words a steepening of the spectrum), indicating the possible presence of a soft X-ray emission; • we have not found any evidence of reflection components (Reflection ”hump” and iron emission line). The thesis structure is as follows: In Chapters 1 and 2 we summarize the observational properties common to all AGN subclasses emphasizing in particular the Blazar class, we give a general description of their spectral energy distribution and then we discuss their emission mechanisms in the high energy band and the open questions related to the spectra of the RL objects. In Chapter 3 we deal with the INTEGRAL mission overview and a comparison with some X-ray detectors such as, Swift/BAT, Swift/XRT and XMM-Newton. In Chapter 4 we report on the data reduction method and analysis of the Blazar selected sample. Finally, in Chapter 5 we discuss the results and give our conclusions.

I quasars Radio Loud (RL) fanno parte di una piccola percentuale (~10%) di Nuclei Galattici Attivi (AGN) e sono caratterizzati da una forte emissione nella banda radio. Lo scopo del nostro lavoro e’ lo studio dell’emissione nella banda dell’X e dell’hard-X di una sotto-classe di questi oggetti: i Blazars. Gli oggetti di tipo Blazar sono AGN aventi un getto di particelle relativistiche (per lo piu’ elettroni e protoni) orientato a piccoli angoli rispetto alla linea di vista. Questa particolare classe di AGN include oggetti di tipo BL Lacerate (BL Lac) e Flat Spectrum Radio Quasar (FSRQ), che si differenziano per gli spettri ottici e per l’intensita’ della loro emissione: una sorgente BL Lac non presenta righe di emissione ottiche (EW < 5 Amstrong) e viene usualmente classificata come un blazar di bassa potenza (LBol~1046 – 1047 erg s-1), mentre una sorgente FSRQ mostra righe di emissione con significative larghezze equivalenti ed e’ classificata come un blazar di alta potenza (LBol~1048 erg s-1). In generale, lo spettro di un AGN in banda X e’ ben modellato da una legge di potenza con un flusso specifico (per unita’ di intervallo di energia) della forma N(E) ~ E-Gamma, dove E e’ l’energia in keV, N(E) e’ il numero di fotoni in unita’ di s-1 cm-2 keV-1 e Gamma e’ chiamato indice fotonico. Nonostante questa visione chiara e generale, lo spettro X di un Blazar puo’ mostrare alcune deviazioni dalla semplice legge di potenza sopra menzionata. Queste particolari caratteristiche spettrali si manifestano nel soft X con una curvatura dello spettro: un appiattimento (o flattening) e un irripidimento (o steepening) dello spettro. Inoltre, la presenza di componenti di riflessione Compton del continuo intrinseco – piu’ comunemente note come un picco (o Compton reflection hump) a 20-30 keV ed una riga di fluorescenza del ferro K-alpha – in oggetti RL e’ ancora una questione molto dibattuta. Ad oggi non e’ stata ancora trovata una chiara interpretazione fisica di queste caratteristiche spettrali. In questo lavoro riportiamo i risultati di uno studio a larga-banda (0.2-100 keV) dell’emissione nell’X di un campione selezionato di 11 Blazars osservati con INTEGRAL: 1ES 0033+595, 3C 273, 3C 279, 4C 04.42, BL Lac, IGR J22517+2218, PKS 0537-286, PKS 1830-211, PKS 2149-306, QSO B0836-710 e Swift J1656.3-3302. L’osservatorio spaziale INTEGRAL, grazie al largo campo di vista e alla alta risoluzione spettrale dei suoi strumenti, e’ ideale per studiare l’emissione di sorgenti X alle alte energie (oltre i 10 keV). Lo scopo di questo lavoro di Dottorato e’ l’analisi di un campione di Blazars selezionato nell’hard X ed avente dati disponibili provenienti dai satelliti INTEGRAL, Swift e XMM-Newton. Dopo aver eseguito la procedura standard per la riduzione dati nel soft X ci siamo occupati dell’analisi temporale e spettrale dell’intero campione di sorgenti. Riassumiamo di seguito i risultati scientifici ottenuti: • gli spettri a larga banda di tutte le sorgenti – eccetto due, le FSRQs 4C 04.42 e 3C 273 – sono ben riprodotti con un modello a legge di potenza assorbita da una quantita’ di gas in eccesso a quella galattica (NH~1020-23 cm-2). Questo risultato e’ una chiara evidenza del fatto che, utilizzando dati INTEGRAL alle alte energie, le sorgenti pesantemente assorbite possono essere piu’ facilmente rivelate. Inoltre, l’assorbimento sembra provenire da un materiale freddo intrinseco, confermando ed estendendo precedenti risultati presentati in letteratura. Il presente lavoro fornisce un’ulteriore conferma dell’esistenza di una correlazione tra l’NH ed il redshift; • per quanto concerne il continuo di emissione, l’analisi a larga banda del nostro campione di Blazars ha evidenziato la presenza di spettri piu’ hard (con indici fotonici dell’ordine di 1.4) rispetto a quelli di un campione piu’ ampio di oggetti RL analizzato da Page e collaboratori nel 2005 con dati di XMM-Newton. Tale differenza potrebbe risiedere nel fatto che effettivamente INTEGRAL seleziona sorgenti con valori dell’indice fotonico piu’ piatti, come mostrato anche da precedenti risultati; • nella nostra analisi abbiamo trovato due casi (4C 04.42 e 3C 273) di eccesso di conteggi nel soft X rispetto al modello di semplice legge di potenza (in altre parole uno steepening dello spettro), indicando la possibile presenza di un’emissione nel soft X; • non abbiamo trovato evidenza di componenti di riflessione (ne’ di Compton Reflection hump ne’ di una riga di emissione del ferro). La struttura della tesi e’ la seguente: Nei capitoli 1 e 2 riassumiamo le proprieta’ osservative comuni a tutte le sotto-classi di AGN enfatizzando in particolare la classe dei Blazars, diamo una descrizione generale della loro distribuzione spettrale in energia e discutiamo i loro meccanismi di emissione nella banda delle alte energie e le questioni ancora aperte sugli spettri degli oggetti RL. Nel capitolo 3 introduciamo la missione INTEGRAL e ne confrontiamo i rivelatori X a bordo con quelli di altri strumenti quali, BAT e XRT a bordo del satellite Swift e MOS1, MOS2, PN a bordo di XMM-Newton. Nel capitolo 4 riportiamo il metodo di riduzioni dei dati da noi adottato e l’analisi temporale e spettrale del campione selezionato di Blazars. Infine, nel capitolo 5 discutiamo i risultati ottenuti e diamo le nostre conclusioni.