Studying the spectral shape and the X-ray/UV: variability of active galactic nuclei with data from swift and XMM archives

Active Galactic Nuclei (AGNs) show flux variations over the entire electromagnetic spectrum. Indeed, variability was one of the first recognized properties of quasars. Although variability plays a key role in constraining the size of the central engine of AGNs, its physical origin remains substantially unknown. Many mechanisms have been proposed to explain optical observations, such as supernova explosions, star capture, gravitational microlensing or disc instabilities. Rapid X-ray variability is indeed a hallmark of AGNs. X-ray short time scale (103-105 s) variability provides evidence that the emission comes from a compact region around the central supermassive black hole. Whereas theoretical studies (Shakura & Sunyaev 1973) provide an explanation of the optical-UV radiation from a steady, optically thick, accretion disc, they cannot explain the X-ray emission. Moreover, it is known that UV and X-ray luminosities of quasars are correlated and recent studies quantified this relation across 5 orders of magnitude (e.g. Strateva et al. 2005; Gibson et al. 2008) . Such studies inform ongoing efforts to understand the structure and the physics of quasars nuclear regions, providing constraints on models of physical associations between UV and X-ray emissions. Because UV photons are generally thought to be radiated from the accretion disc whereas X-rays are produced in the disc corona, the UV/X-ray luminosity relation is an indication of the balance between accretion discs and their coronae. In this context, I present in this thesis some results on the X-ray/UV relation from simultaneous observations in UV and X-ray bands of a sample of quasars with data from XMM-Newton archive (see Vagnetti et al. 2010a, for details). Some indication on the nature of variability can be obtained from the analysis of the power spectrum, or the structure function, of single-band lightcurves. Besides the study of individual lightcurves, ensemble properties of statistical quasar (QSO) samples can provide further constrains on the origin of variability. In the optical bands the ensemble analysis on large optical samples (25,000 objects) was made possible by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), and provided a characterization of the dependence of optical variability on luminosity, redshift, wavelength and time delay (Vanden Berk et al. 2004; de Vries et al. 2005). A similar analysis has not yet been performed in the X-ray, and now becomes possible thanks to the relatively wide field-of-view of typical X-ray instrumentation, such as those on-board XMM-Newton and Swift satellites, to retrieve field data from individual pointed observations. Two available databases are suitable for this analysis, i.e. the Second XMM-Newton serendipitous source catalogue (Watson et al. 2009), and the Swift Serendipitous Survey in deep XRT GRB fields (Puccetti et al. 2010). The former is limited, by orbital constraints, to long timescale (several months) variations and suffers for rather sparse sampling. On the contrary the Swift catalog provides a sampling at intermediate timescales (hours to a few months) for a number of objects sufficient to calculate an ensemble SF. To build an ensemble SF of the AGNs, it is necessary to ascertain the AGN nature of the X-ray serendipitous sources, excluding possible X-ray emitting stars or galaxies, and to know the redshifts of the sources in order to group all the individual flux variations of different objects in bins of rest-frame time lag. This thesis presents the first ensemble Structure Functions (SFs) of the X-ray variability of two samples of quasars with SDSS-DR7 optical spectra: I used archival data from the Swift and XMM serendipitous source catalogs to obtain a curve of growth of X-ray variability with time lag. The index of the power law portion of the SF contains important information on the variability mechanism and could in principle be used to put constraints on emission models or AGNs physical properties. Here, I report that I found smooth SFs, i.e. they do not show any bend to be related with the black hole mass MBH or the bolometric luminosity Lbol or both. Moreover, I present here results regarding the TNG optical identification campaign of some Swift serendipitous sources and the preliminary results on the serendipitous radio sources with SDSS-DR7 data (Abazajian et al. 2009) detected in Swift GRB deep fields.

I Nuclei Galattici Attivi (AGN) hanno variazioni di flusso in tutte le bande dello spettro elettromagnetico. In effetti, la variabilità è stata una delle prime proprietà dei quasar ad essere riconosciuta. Sebbene la variabilità giochi un ruolo fondamentale nel dare una stima della grandezza del nucleo centrale degli AGN, la sua origine fisica rimane tuttora sconosciuta. Per spiegare le osservazioni ottiche spno stati proposti diversi meccanismi, ad esempio esplosioni di supernove, cattura di stelle, microlenti gravitazionali o instabilità del disco. La variabilità rapida nella banda X è dunque una delle caratteristiche di tutti gli AGN. Il breve tempo scala (103-105 s) delle variazioni di flusso X fornisce evidenza che l'emissione provenga da una regione compatta intorno al buco nero centrale supermassivo. Gli studi teorici (Shakura & Sunyaev 1973) riescono a spiegare l'emissione ottica ed ultravioletta come proveniente da un disco di accrescimento stabile e otticamente spesso, ma non sono in grado di fornire una spiegazione sull'origine dell'emissione mella banda X. È inoltre noto che le luminosità X e ultavioletta (UV) dei quasar sono tra loro correlate e studi recenti hanno accertato questa dipendenza su cinque ordine di grandezza (e.g. Strateva et al. 2005; Gibson et al. 2008) . Queste analisi cercano di comprendere la struttura e la fisica delle regioni nucleari dei quasar, ponendo dei vincoli sui modelli di connessione fisica tra le emissioni nella banda X ed in quella UV. Dal momento che si ritiene che i fotoni UV provengano dal disco di accrescimento, mentre i raggi X sono supposti essere originati in una corona che circonda il disco, lo studio del rapporto UV/X dà informazioni sull'equilibrio tra i dischi di accrescimento e le loro corone. In questo contesto, la mia tesi presenta alcuni risultati sulla relazione tra luminosità X e UV da osservazioni simultanee nelle bande X ed UV per un campione di quasar con dati estratti dall'archivio del satellite XMM-Newton (see Vagnetti et al. 2010a, for details). Alcune indicazioni sulla natura della variabilità possono essere ottenuti dall'analisi dello spettro di potenza, o della funzione di struttura, di curve di luce in singola banda. A parte lo studio delle curve di luce individuali, le proprietà d'insieme di campioni statistici di quasar (QSO) possono fornire ulteriori vincoli sull'origine della variabilità. Nelle bande ottiche l'analisi d'insieme di grandi campioni ottici (25000 sorgenti) è stata resa possibile dalla Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ed ha permesso di caratterizzare la dipendenza della variabilità ottica con la luminosità, il redshift, la lunghezza d'onda e il ritardo temporale (Vanden Berk et al. 2004; de Vries et al. 2005). Un'analisi analoga non è stata ancora effettuata nella banda X ed ora diventa possibile grazie al campo di vista relativamente grande tipico della strumentazione X, quale quella a bordo dei satelliti XMM-Newton e Swift, che permette di recuperare dati dai campi di osservazioni individuali. Attualmente due database sono disponibili per questo tipo di studi, ovvero il Secondo Catalogo Serendipito di XMM (Watson et al. 2009) e il Catalogo Serendipito dei Campi Profondi centrati sui GRB osservati da Swift (Puccetti et al. 2010). Il primo è limitato, dai vincoli dell'orbita del satellite, a dati per variazioni su lunghi tempi scala (diversi mesi) e soffre di un campionamento temporale piuttosto rado. Al contrario il catalogo del satellite Swift fornisce un campionamento su tempi scala intermedi (da ore ad pochi mesi) per un numero di sorgenti sufficiente a calcolare una Funzione di Struttura d'insieme. Costruire una Funzione di Struttura d'insieme per gli AGN richiede di accertare la natura delle sorgenti serendipite X, in modo da escludere eventuali stelle e galassie normali che emettono in banda X, e conoscere il redshift delle sorgenti in modo da poter raggruppare tutte le variazioni di flusso individuali da in intervalli di ritardo temporale nel sistema di riferimento di quiete. Questa tesi presenta le prime Funzioni di Struttura della variabilità X per due campioni di quasar con spettri ottici dalla SDSS-DR7: ho utilizzato dati d'archivio dai cataloghi serendipiti dei satelliti Swift e XMM per ottenere una curva di crescita della variabilità X con l'intervallo temporale. L'esponente di scala della parte della Funzione di Struttura descrivibile a legge di potenza contiene importanti informazioni sul meccanismo di variabilità e potrebbe in principio essere usato per porre vincoli sui modelli di emisioni o sulle proprietà fisiche degli AGN. In questa tesi, segnalo che ho trovato Funzioni di Struttura regolari, ovvero esse non mostrano alcuna piega da poter mettere in relazione con la massa del buco nero MBH o la luminosità bolometrica Lbol o entrambe le grandezze. Infine, questa tesi presenta i risultati preliminari della campagnia di indetificazione ottica di acune sorgenti serendipite del satellite Swift condotta al TNG e sulle sorgenti radio serendipite con dati dalla SDSS-DR7 (Abazajian et al. 2009) scoperti nei campi profondi del satellite Swift.