Outflows in low luminosity active galactic nuclei

Abstract

This thesis is aimed to provide insights into the relevance of feedback processes in galaxies harbouring at its centre an Active Galactic Nucleus (AGN). Feedback is believed to impact the evolution of galaxies by regulating the star formation and AGN activity. In particular, these processes can be triggered by outflows, that are detected with various tracers related to different gas phases (e.g. ionised or hot gas). In this thesis, we focused on the exploration of the processes at the low end of the AGN luminosity function, in particular with Low- Ionisation Nuclear Emission-line Regions (LINERs). These objects are the largest AGN family in the Local Universe, representing more than 60% of the local population (Ho 2008). Their relative faintness make their detection and characterisation more difficult than for other AGN types, although their proximity gives these objects an advantage, since spatially resolved studies can be made. This is specially important for the characterisation of feedback processes, particularly in the search for outflows. During the last 20 years, outflows have been detected in a variety of systems, from starforming galaxies to AGNs. The increasing number of works dedicated to the study of feedback processes seem to conclude that outflows are ubiquitous in both types of galaxies. Many efforts now are dedicated to analysing their properties and evaluating their impact in the evolution of the host galaxy from pc to kpc-scales. However, in the case of AGNs their study has been mainly focused on luminous systems, where outflows are expected to be more powerful and thus easier to detect and characterise. Nevertheless, it remains unclear if outflows are also common or even ubiquitous in LINERs, as this AGN population has been largely unstudied. In this thesis we address this topic with three different methodologies that will be described along the corresponding chapters. Optical spectroscopy of type-2 LINERs. We first present the analysis of long-slit spectroscopic data for nine type-2 LINERs obtained with the Hubble Space Telescope (HST) and the Palomar Survey. This work complements the previous work by Cazzoli et al. (2018) on type-1 LINERs. The objectives are twofold: (i) detect a broad line region component in the Balmer emission lines, and (ii) search for outflows as a broad (σ ≤ 500 km s−1), blueshifted component in the emission lines. We detected a broad component for 67% of the HST spectra and 25% of the Palomar spectra. As for the outflows, we found that 35% of the type-2 LINERs are good candidates to host them. A search for ionised gas outflows in an Hα imaging atlas of nearby LINERs. We then systematically searched for outflows in a sample of 70 nearby LINERs by analysing the ionised gas distribution in these systems, using proprietary ALFOSC/NOT and archival HST narrow band imaging. We were able to identify the main morphologies of the Hα gas and detect possible outflows as extended gas for 32% of the objects. Afterwards, by combining imaging with kinematic data from the literature, we found that ∼50% of the local LINERs host an outflow in different gas phases. These results indicated that outflows are common in low luminosity AGNs as LINERs. Analysis of the candidate outflows in LINERs with MEGARA/GTC integral field spectroscopic data (IFS). Finally, we used IFS data to confirm or not the outflow candidates identified from the previous two works on a spatially-resolved basis. For that purpose we used MEGARA/GTC data of nine LINERs in three spectral bands in the optical range. We study as a first case the prototypical LINER NGC1052 (complementing with proprietary MUSE/VLT data). We detected in this object an ionised gas outflow probably driven by the jet, propagating in a region of turbulent gas, and triggering kpc-scale bubbles. Then we analysed the other eight objects, finding a kinematical signatures of an ionised gas outflow in four of these LINERs (i.e. 50%). The LINER NGC4438 is the only object in our sample for which we found three resolved kinematical components in all the emission lines with the MEGARA data. These probe the gaseous disc and an outflow with a bubble-like structure, previously detected with high spatial resolution imaging.

Esta tesis tiene como objetivo proporcionar información sobre la relevancia de los procesos de retroalimentación en galaxias que poseen en su centro un núcleo activo de galaxias (AGN en inglés). Se cree que los procesos de retroalimentación afectan a la evolución de las galaxias a través de la regulación de la formación estelar y de la actividad nuclear. En particular, estos procesos se pueden desencadenar por los llamados ‘outflows’, los cuales se detectan usando varios trazadores relacionados con las distintas fases del gas (por ejemplo, gas ionizado o caliente). En esta tesis nos centramos en la exploración de estos procesos en el límite inferior de luminosidad en los AGNs, en particular en las llamadas regiones nucleares de líneas de emisión de baja ionización (LINERs por sus siglas en inglés). Estos objetos son la familia más numerosa de AGNs que encontramos en el Universo Local, representando a más del 60% de la población local (Ho 2008). Su relativa debilidad hace que sean más dificiles de detectar y caracterizar que otros tipos de AGNs, aunque su proximidad les da la ventaja de permitir realizar estudios espacialmente resueltos. Esto aplica especialmente para el análisis de procesos de retroalimentación y, en particular, para la búsqueda de ‘outflows’. Durante los últimos 20 años se han detectado ‘outflows’ en una gran variedad de sistemas, tanto galaxias con formación estelar como en AGNs. El aumento del número de trabajos dedicados al estudio de procesos de retroalimentación parecen concluir que los ‘outflows’ aparecen de manera ubicua en los sistemas anteriormente mencionados. Hay muchos esfuerzos dedicados al análisis de sus propiedades y a evaluar su impacto en la evolución de la galaxia anfitriona en escalas de pc a kpc. Sin embargo, en el caso de los AGNs los estudios se han centrado en los sistemas más luminosos, donde se espera que los ‘outflows’ sean más poderosos y, por tanto, más fácil de detectar y caracterizar. Aún no está claro si los ‘outflows’ son también comunes, o incluso su presencia ubicua, en LINERs, ya que su presencia en esta población de AGNs ha sido en gran medida no explorada. En esta tesis abordamos este tema utilizando tres metodologías distintas que se van describiendo en los capítulos. Espectroscopía óptica de LINERs de tipo 2: Presentamos en primer lugar el análisis de datos de espectroscopía de rendija larga de nueve LINERs de tipo 2, obtenidos con el Telescopio Espacial Hubble (HST) y de la muestra del Palomar. Este trabajo complementa al estudio anterior de Cazzoli et al. (2018) con LINERs de tipo 1. Los objetivos principales son dos: (i) detectar en las líneas de emisión de Balmer una componente ancha originada en la región de líneas anchas, y (ii) buscar indicadores de ‘outflows’ en las líneas de emisión como una componente ancha (σ‘ 500 km s−1) desplazada hacia el azul. Detectamos una componente ancha en las líneas de Balmer en el 67% de los espectros del HST y en el 25% de los espectros del Palomar. En cuanto a los ‘outflows’, encontramos que el 35% de los LINER de tipo 2 son buenos candidatos para albergarlos. Una búsqueda de ‘outflows’ en gas ionizado en un atlas de imágenes de Hα de LINERs cercanos. A continuación, buscamos sistemáticamente ‘outflows’ en una muestra de 70 LINERs cercanos, analizando la distribución del gas ionizado en estos sistemas con imágenes de ALFOSC/NOT e imágenes de archivo del HST de banda estrecha. Pudimos identificar las principales morfologías del gas Hα y detectar posibles ‘outflows’ en forma de gas extendido en el 32% de los objetos. Después, combinando las imágenes con datos cinemáticos de la literatura, descubrimos que el 50% de los LINER locales tienen ‘outflows’ que se detectan en distintas fases del gas. Estos resultados indican que los ‘outflows’ son comunes en AGNs de baja luminosidad, como los LINERs. Análisis de LINERs candidatos a tener ‘outflows’ con datos de espectroscopía de campo integral (IFS) con MEGARA/GTC. Por último, utilizamos los datos de IFS para confirmar o no los candidatos a ‘outflows’ identificados en los dos trabajos anteriores, pero esta vez resolviendo la emisión espacialmente. Para ello utilizamos los datos de MEGARA/GTC de nueve LINERs en tres bandas espectrales distintas en el rango óptico. Estudiamos como primer caso el prototípico LINER NGC1052 (complementando con datos propios de MUSE/VLT). Detectamos en este objeto un ‘outflow’ en gas ionizado, probablemente impulsado por un ‘jet’, que se propaga en una región de gas turbulento provocando burbujas a escalas de kpc. A continuación analizamos los otros ocho objetos de la muestra. Encontramos indicaciones cinemáticas de la presencia de ‘outflows’ de gas ionizado en cuatro de estos LINERs (es decir, el 50%). El LINER NGC 4438 es el único objeto de nuestra muestra para el que detectamos, con datos de MEGARA, tres componentes cinemáticas espacialmente resueltas en todas las líneas de emisión. Estas se relacionan con el disco de gas de la galaxia y con un ‘outflow’ con forma de burbuja, que ya había sido detectado anteriormente con imágenes de alta resolución espacial.