On the obscuration of the growing supermassive black hole population

Aktive Galaxienkerne (AGN) werden durch das Wachstum super-schwere
schwarze Löcher, die im Zentrum jeder massiven Galaxie sitzen,
betrieben. Da enge Korrelationen ihrer Massen zu Eigenschaften der
elliptischen Galaxienkomponente beobachtet werden, und durch ihre
extreme Leuchtkraft ist es naheliegend, dass AGN einen wichtigen
Baustein von Galaxien bilden. Der erste Schritt, AGN zu verstehen
ist es, ihre Häufigkeit zu ermitteln, sowie die Leuchtkraft der
Population. Dieses Unterfangen wird dadurch erschwert, dass die
meisten AGN von Gas und Staub umgeben sind. Selbst im
energiereichen Röntgenbereich, der in dieser Arbeit verwendet wird,
wird die intrinsische Strahlung durch Absorption um mehrere
Größenordnung verringert. Die vorliegenden Doktorarbeit untersucht
zuerst die Eigenschaften dieser Wolken, im speziellen ihre
Geometrie, Säulendichteverteilung und ihr Verhältnis zur
Leuchtkraft des AGN. Dazu werden ∼ 300 AGN von der
längst-beobachteten Röntgenregion, der Chandra Deep Field South
Kampagne verwendet. Eine neue Bayesische Methode zur
Spektralanalyse wurde entwickelt, um verschiedene physikalisch
motivierte Modelle für den Aufbau der Wolken zu vergleichen. Das
Röntgenspektrum reagiert, hauptsächlich dank Compton-Streuung, auf
die Gesamtbedeckung der Quelle durch das Gas. Eine detaillierte
Analyse zeigt, dass die Wolken mit einer Torus (“Donut”) Form
konsistent sind, und sowohl vollständige Bedeckung als auch eine
Scheiben-artige Konfiguration ausgeschlossen werden können.
Außerdem ist eine weiteren Komponente höherer Dichte notwendig um
zusätzlich beobachtete Compton-Reflektion zu erklären. Dies deutet
auf eine strukturierte Formation hin, wie etwa ein Torus mit einem
Dichtegradienten. Die Untersuchung der gesamten AGN-Population
inklusive der AGN mit hohen Säulendichten, verlangt eine große
Stichprobe mit einem genauen Verständnis für die
Stichprobenverzerrung, sowie fortgeschrittene statistische
Inferenzmethoden. Diese Arbeit baut auf eine ∼ 2000 AGN große
Stichprobe die durch Röntgenemission detektiert wurde, bestehend
aus mehrschichtigen Kampagnen aus den CDFS, AEGIS-XD, COSMOS and
XMM-XXL Regionen. Die Röntgenspektren wurden im Detail mit einem
physikalischen Spektralmodell analysiert, um die intrinsische
Leuchtkraft, Rotverschiebung, sowie Säulendichte (N_H) für jedes
Objekt zu erhalten, inklusive der Messunsicherheit. Außerdem wurden
in dieser Arbeit neue statistische Methoden entwickelt um die
richtige Assoziation zu optischen/infraroten Objekten zu finden,
und um die Unsicherheiten durch Objekte ohne Pendant, der
Rotverschiebungsmessung, sowie der Poissonfehler des
Röntgenspektrums in alle Ergebnisse einzubinden. Einen weiteren
wichtigen Beitrag bildet eine Bayesische, nicht-parametrische
Methode um die unverzerrte Dichte von AGN in kosmologischen Volumen
als Funktion von intrinsischer Leuchtkraft, Rotverschiebung und
Säulendichte (N H ) der verbergenden Wolken zu rekonstruieren.
Obwohl in dieser Methode lediglich Glattheit verwendet wird, kann
dieser Ansatz dieselben Formen der Leuchtkraftverteilung sowie ihre
Entwicklung rekonstruieren, die sonst oft in emprischen Modellen
verwendet werden, jedoch ohne diese apriori anzunehmen. Im Großen
und Ganzen kann die Leuchtkraftverteilung, in allen
Rotverschiebungsschalen, als Potenzgesetz mit einem Umbruchspunkt
beschrieben werden. Sowohl die Normalisation als auch der
Leuchtkraftumbruchspunkt entwickeln sich über den Lauf des
Universums, allerdings zeigen die Daten keine Belege für eine
Veränderung der Form der Verteilung. Dies deutet darauf hin, im
Gegensatz zu Aussagen vorherigen Studien, dass der
Rückkopplungsmechanismus zwischen AGN und beherbergender Galaxie
immer gleich funktioniert, und sich nur die Anzahl und Größe der
wachsenden Systeme verändert. Die nicht-parametrische
Rekonstruktionsmethode verwendet keine Annahmen darüber wie sich
z.B. die Häufigkeiten von Säulendichte des verdeckenden Gases mit
Leuchtkraft oder Rotverschiebung verändert. Dies erlaubt sehr
robuste Schlüsse über den Anteil der verdeckten AGN (N_H > 10^22
cm −2 ), die 77 +4 −5 % der Population ausmachen sowie den Anteil
der Compton-dicken AGN (38 +8 −7 %), die sich hinter enormen
Säulendichten (N_H > 10^24 cm −2 ) verbergen. Insbesondere dass
der letztere Anteil bestimmt werden konnte, lässt endlich Schlüsse
darauf zu, wieviel AGN “verdeckt” wachsen. Außerdem suggeriert es,
dass der Torus einen großen Teil des AGN verdeckt. Basierend auf
der Leuchtkraft der gesamten AGN Population wurde die Masse, die
über den Lauf der Zeit in schwarzen Löchern gesperrt wurde,
geschätzt, und die Massendichte der supermassereichen schwarzen
Löcher im heutigen Universum vorhergesagt. Die Rekonstruktion
bringt außerdem zu Tage, dass der Anteil der verdeckten AGN
(insbesondere der Compton-dünnen AGN) eine negative
Leuchtkraftabhängigkeit aufweist, und dass sich diese Abhängigkeit
über die Geschichte des Universums entwickelt hat. Dieses Resultat
wird in dieser Arbeit im Zusammenhang mit bestehenden Modellen
interpretiert und ist möglicherweise ein Nebeneffekt eines
nicht-hierarchischen Wachstums von AGN.