Thesis Active Galactic Nuclei at hight energies: spectral properties and the cosmic X-ray background ESPOSITO, Valentino Abstract Le thème principal de cette thèse est l'étude des noyaux actifs de galaxies (AGN) dans le domaine des rayons X. Les AGN sont les sources persistantes les plus brillantes de l'Univers et produisant un rayonnement sur la quasi-totalité du spectre éléctromagnétique. J'ai travaillé sur le rayonnement de fond cosmique dans les rayon X (CXB) d'origine extragalactique, qui est du à l'émission intégrée de faibles sources ponctuelles, pour la plupart des AGN. Le spectre du CXB diffère de l'intégration des spectres des sources individuelles, suggérant la présence d'une population de sources fortement obscurcies, non détectées jusqu'à présent. J'ai utilisé des spectres X moyens de AGN avec un grand rapport signal sur bruit, dérivés avec l'instrument Swift/BAT. Les données de BAT montrent que le spectre des AGN moyennement obscurcit comportent une composante de réflexion intense qui contribue de manière significative au CXB. En conséquence, une population d'AGN très absorbés plus grande que celle effectivement détectée n'est pas nécessaire. J'ai aussi travaillé sur le quasar brillant 3C 273, qui est [...] Reference ESPOSITO, Valentino. Active Galactic Nuclei at hight energies: spectral properties and the cosmic X-ray background. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2016, no. Sc. 4945 URN : urn:nbn:ch:unige-860446 DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:86044 Available at: http://archive-ouverte.unige.ch/unige:86044 Disclaimer: layout of this document may differ from the published version. 1 / 1 Université de Genève Faculté des Sciences Départment d’astronomie Docteur Roland Walter Active Galactic Nuclei at High Energies: Spectral Properties and The Cosmic X-ray Background Thèse Présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève Pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention Astronomie et Astrophysique par Valentino Esposito de Napoli (Italie) Thèse N◦ 4945 Genève Atelier d’impression ReproMail 2016 Cette thèse a fait l’objet des publications suivantes: voir Appendix B RÉSUMÉ Le travail présenté dans cette thèse a été effectué entre 2012 et 2016 à l’ISDC Data Center for Astrophysics, une partie du Département d’Astronomie de l’Université de Genève. Le thème principal de cette thèse est l’étude des noyaux actifs de galaxies (AGN) dans le domaine des rayons X. Les AGN sont les sources persistantes les plus brillantes de l’Univers (neuf à quinze ordres de grandeur plus lumineuses que le Soleil) et produisant un rayonnement sur la quasi-totalité du spectre éléctromagnétique. Leur source d’énergie est l’accrétion de matière dans le champ gravitation- nel d’un trou noir supermassif, situé au centre d’une galaxie. Les AGN présentent de nombreuses différences: leur luminosité varie de quatre ordres de grandeur et ils présentent différentes propriétés spectrales, de sorte que leur classification n’est pas toujours univoque. Le modèle unifié des AGN tente d’expliquer ces différences à l’aide d’une interprétation géométrique. Les rayons X sont bien adaptés pour détecter les AGN. Cette émission non thermique est observée dans presque tous les AGN, conrairement aux galaxies non actives. Ils ne sont pas absorbés en dessus de 10 keV sauf pour un matériel optiquement épais à la diffusion Compton. Les rayons X permettent de sonder les abords immédiat du trou noir où les phénomènes les plus énergétiques se produisent. Au cours de ma thèse, j’ai travaillé sur le rayonnement de fond cosmique dans les rayon X (CXB) d’origine extragalactique, qui est du à l’émission intégrée de faibles sources ponctuelles, pour la plupart des AGN. Le spectre du CXB diffère de l’intégration des spectres des sources individuelles, suggérant la présence d’une population de sources fortement obscurcies, non détectées jusqu’à présent. Dans ces sources, le matériau environnant serait optiquement épais, même aux rayons X durs, ce qui rend leur observation directe très difficile. L’existance de ces objets est prédite par les modèles unifiés et jouent un rôle important pour la compréhension de l’évolution de l’accretion sur les trous noirs au début de l’histoire de l’Univers. Le CXB étant l’émission intégrée de tous les AGN, détectés ou non, il peut être utilisé pour étudier la population de sources jusqu’ici non détectées. Pour ce faire, la connaissance des propriétés spectrales et de la fonction de luminosité de ces sources est nécessaire. Dans mon travail, j’ai utilisé des spectres X moyens de AGN avec un grand rapport signal sur bruit, dérivés de plus d’un milliard de secondes de temps d’observation avec l’instrument Swift/BAT. C’est la première fois que des données en rayons X dur de bonne qualité sont utilisées dans ce type d’analyse pour représenter le comportement moyen des AGN des difféerentes classes. Ceci supprime les hypothèses sous-jacente aux modélisations utilisées par les travaux antérieurs. Les données de BAT montrent que 23 24 −2 le spectre des AGN moyennement obscurcit (10 < NH < 10 cm ) comportent une composante de réflexion intense qui contribue de 1 2 manière significative au CXB. En conséquence, une population d’AGN très absorbés plus grande que celle effectivement détectée n’est pas nécessaire, car leur contribution au CXB est limitée à 6% de son flux au maximum. La composante de réflexion intense observée dans les galaxies de Seyfert légèrement obscurcies est difficile à expliquer dans le contexte du modèle unifié. Ceci suggère que modèle unifié est trop simpliste. J’ai aussi travaillé sur le quasar brillant 3C 273, qui est le plus bril- lant des AGN dans le visible et un des mieux étudié. Il est considéré comme un quasar radio et affiche la plupart des phénomènes couram- ment observés dans différentes classes d’AGN, comme une bosse bleue et un excès de rayons X mous intense, typique des galaxies de Seyfert, et une grande variabilité et un jet superluminique typique des blazars. 3C 273 est une source très particulière et intéressante, étudiée depuis la découverte des AGN. Je me suis concentré sur l’émission gamma de 3C 273, qui est généralement comprise en termes d’émission inverse Compton dans un jet leptonique relativiste. Ce modèle prédit des retards de variatiabilité entre diverses longeurs d’onde qui peuvent être testées avec des observations simultanées. J’ai utilisé les données de l’instruments IBIS, SPI et JEM-X à bord du satellite INTEGRAL, PCA à bord de RXTE et LAT à bord de Fermi, qui ont une sensibil- ité suffisante pour suivre la variabilité spectrale de 3C 273 des keV aux GeV. J’ai cherché des corrélations entre les différentes bandes d’énergie, y compris avec des données radio à 37 GHz recueillis aux radio-téléscope de Metsähovi et construit des spectres multi-longueur d’onde quasi-simultanés lorsque la source se trouvait dans différents états de variabilité. Les analyses temporelle et spectrale nécessitent un modèle à deux composantes pour expliquer l’émission haute én- ergie. Les rayons X ne sont pas corrélés avec les rayons g ou radio, et probablement produit par la couronne du disque d’accrétion. Le rayonnement g est bien corrélé avec le rayonnement radio, confir- mant qu’il est originaire de la diffusion Compton inverse des photons synchrotron observés plus tard dans le radio. Une fonction de réponse obtenue d’un modèle de choc dans le jet, reproduit la courbe de lumière radio à partir de la courbe de lumière g. Ceci est un bon exemple de la connexion entre les émissions g et radio, attribués au jet, et démontre pourquoi les observations simultanées sont nécessaire pour comprendre la physique des AGN. ABSTRACT The work presented in this thesis has been done from 2012 to 2016 at the ISDC Data Center for Astrophysics, part of the Geneva Observa- tory and the Department of Astronomy of the University of Geneva. The main subject of this thesis is the study of Active Galactic Nuclei (AGN) in the high energy domain of the electromagnetic spectrum. AGN are the brightest non transient sources in the Universe (nine to fifteen orders of magnitudes brighter than the Sun) and can produce radiation at almost all wavelengths. Their power source is the accretion of matter, in the form of an accretion disk, driven by the strong gravitational field of the supermassive black hole located at the very centre of a galaxy. AGN come in many flavours: they span over a wide range of luminosity, and present different spectral features, so that their classification sometimes may be puzzling. The Unified Model of AGN attempts to explain all these differences between the various objects with a geometrical interpretation. The X-ray band is the most suited energy domain to detect and discover AGN. This emission is observed in almost all AGN, because X-rays at energies E & 10 keV are not absorbed by the surrounding material unless this is optically thick to Compton scattering. X-rays allow us to probe the region close to the supermassive black hole where the most energetic phenomena originate. During my thesis, I worked on the Cosmic X-ray Background (CXB), the diffuse background emission of extragalactic origin due to the integrated emission of faint point-like X-ray sources, mostly Seyfert galaxies and AGN. The CXB spectrum differs from the integration of the spectra of individual sources, asking for a large population, undetected so far, of strongly obscured Compton thick AGN. In these sources, the surrounding material is optically thick even to hard X- rays, making their direct observation very difficult. These Compton thick objects are predicted by unified models and play an important role for the understanding of the growth of black holes.