The quasar main sequence at early cosmic epochs

Abstract

The Main Sequence (MS) of quasars emerged, in the early 2000s, as a powerful tool to contextualise and organise the observed spectroscopic diversity of the quasars on different spectral types according to key observational (in optical, UV, and X-rays) and physical parameters that are systematically changing along it and mainly driven by the accretion rate on to the central black hole. However, the work on the MS has been restricted mainly to low redshift (z < 1), where it is well established. Little is known about the MS at earlier cosmic epochs and high luminosity, because the most widely used parameters for its definition are shifted into the infrared domain, where spectroscopy of large samples is more difficult. This thesis aims to evaluate for the first time the behaviour of the MS at high redshift, focusing on the interplay between feedback mechanisms and the radio-loudness effect in the accretion processes of Active Galactic Nuclei (AGN). Feedback from AGN is seen as one of the main contributors to the evolutionary process of galaxies, although their impact on host galaxies are still pending on detailed analysis. Specially at high and intermediate redshift, many sources seem to harbour a powerful central mechanism that allows for strong jets in radio and/or winds observed in the optical and UV ranges of their spectra. The analysis of the spectroscopic properties of these objects may be helpful to better understand the behaviour of these processes. By decomposing the broad emission line profiles into 3 or more components and analysing the blueshifted component, we are able to estimate the feedback contribution. Usually, high-ionisation lines such as CIVλ1549 tend to present a more significant blueward asymmetry, while in Hβ for instance the contribution is not that strong (although present, in some cases). A good indicator of feedback in the optical range is often [O III]λ5007, while in the UV notable blueshifted components can be seen in the many blends of the UV region. Another important factor to be considered within the domain of AGN is the role of radio emission. In the context of the quasar MS at low redshifts, it is observed that radio-loud sources are primarily associated with Population B sources, which are characterised by quasars where minimal to no outflow motions are detected. The comparison between the strong C IVλ1549 high-ionisation line and Hβ in terms of line widths and shifts with respect to rest-frame leads to an evaluation of the role of radiative forces in driving an accretion disk wind. While for non-jetted quasars the wind properties have been more extensively characterised as a function of luminosity and other physical parameters, the situation is by far less clear for jetted sources. The overarching issue is the effect of the relativistic jet on the wind, and on the structure of the emitting region in general. In the redshift range that we are considering, the high-ionisation lines in the UV in the quasar rest-frame are redshifted into the optical domain, while the Hβ+[O III] spectral region is shifted into the near-infrared. Observations covering the Hβ spectral region were collected with the infrared spectrometer ISAAC at ESO-VLT. They make it possible to obtain an accurate measurement of the quasar rest-frame and to set the location of a quasar along the MS. In addition, the knowledge of the rest-frame allows for a quantitative comparison between low- and high-ionisation lines. Regarding the UV, the study is performed using mainly the archival data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS).The radio data analysed in this thesis were collected mainly from the 1.4-GHz NRAO VLA Sky Survey (NVSS) and the VLA FIRST Survey. Along this thesis, an interline comparison has been performed with the aim to highlight the similarities found between the optical and UV ranges. In Part I, we are finding significant outflows not only in [O III]λ5007 but also in lines with broader profiles such as Hβ and C IVλ1549, hinting at an association with the Broad Line Region emission. We are finding extremely broad [O III]λ5007 emission, comparable to the width of the Hβ broad profile in some highly accreting quasars. Additionally, emission lines like [O iii]λλ4959,5007 and CIVλ1549 appear to follow very similar trends. Both [O III]λ5007 and CIVλ1549 outflows show very high amplitudes and a high degree of correlation, which may indicate a possible physical connection between the inner and outer outflows. This result mirrors the behaviour observed at low redshift for sources whose high-ionisation lines are dominated by an outflow component. At variance to the low-z samples, more than 60% of our high-z objects show [OIII]λ5007 blueshift larger than 250 km s−1. The main factor governing the outflows in both [O iii]λλ4959,5007 and CIVλ1549 is most likely the Eddington ratio, with a non-negligible role of luminosity affecting shift amplitudes. In Part II, we discuss the radio dichotomy and the relation between radio and optical/UV properties. High-ionisation lines especially in radio-quiet sources usually present a significant asymmetry towards the blue that is strong evidence of outflow motions. In contrast, radio-loud quasars commonly display relatively modest outflowing components. The strongest radio emitters are also found with the more symmetric profiles in both UV and optical ranges. Our analysis suggest that the radio emission seems to somehow contribute to smaller outflows, and that the strongest outflows in both [O III]λ5007 and C IVλ1549 are caused mainly by accretion. The Part III of this thesis explores how intermediate ionisation emission lines in the UV can be suitable to serve as virial broadening estimators for black hole mass computation at high and low redshift. We derive scaling laws using the Al iiiλ1860 doublet and the Ciii]λ1909 emission lines, since the line width of these lines are highly correlated with the one of Hβ, and consequently can be considered as equivalent for the majority of Population A quasars (usually high accretors) over five orders of magnitude in luminosity. Last, in Part IV we have analysed a small sample of radio-loud and radio-quiet quasars, and a preliminary analysis reveals that RL show sub-solar chemical abundances, lower compared to RQ. Additionally, our findings suggest that there is a gradient of metallicity across Pop. A and Pop. B, shedding light on their evolutionary paths.

La Secuencia Principal (MS, del inglés Main Sequence) de los cuásares surgió a princípios de los años 2000 como una herramienta poderosa para contextualizar y organizar la diversidad espectroscópica observada en los cuásares, distinguiendo diferentes tipos espectrales que respondían a parámetros observacionales clave e independientes (en óptico, UV y rayos X) y cuyos parámetros físicos asociados mostraban variaciones sistemáticas a lo largo de la secuencia, impulsados principalmente por la tasa de acreción sobre el agujero negro supermasivo central. Sin embargo, desde el establecimiento de la MS, su estudio ha estado limitado principalmente a cuásares a bajo corrimiento al rojo (redshift, z < 1), donde fue inicialmente establecida. Poco se conoce sobre la MS en épocas cósmicas más tempranas y en objetos de alta luminosidad, debido en parte a que los parámetros más utilizados para su caracterización se desplazan hacia el dominio infrarrojo, donde la espectroscopia en grandes muestras es más difícil. Esta tesis tiene entre sus objetivos evaluar, por la primera vez, el comportamiento de la MS a altos corrimientos al rojo, centrándose también en la interacción entre los mecanismos de retroalimentación entre el agujero negro supermasivo central y la galaxia anfitriona (en adelante feedback) y los efectos de la emisión en radio frecuencias sobre los procesos de acreción de los Núcleos Activos de Galaxias (AGN). El feedback de los AGN se considera uno de los principales contribuyentes al proceso evolutivo de las galaxias, aunque su impacto sobre las galaxias anfitrionas aún requiere un mayor desarrollo y análisis detallado. Especialmente en corrimientos al rojo intermedios y altos, muchas fuentes parecen albergar un mecanismo central potente que permite la presencia de jets intensos en radio y vientos (outflows) que se observan en los rangos óptico y UV de sus espectros. El análisis de las propiedades espectroscópicas de estos objetos puede ser clave para comprender mejor el comportamiento de estos procesos. Al descomponer los perfiles de las líneas de emisión anchas en todas sus componentes, en general en tres o incluso más componentes, e identificar y analizar la componente desplazada hacia el azul, es posible estimar la contribución del feedback. Generalmente, las líneas de alta ionización, como CIVλ1549, tienden a mostrar una asimetría significativa hacia el azul, mientras que en líneas anchas de baja ionización como Hβ, por ejemplo, la contribución es mucho menor (aunque está presente en algunos casos). Un buen indicador de feedback en el rango óptico es frecuentemente [O III]λ5007, mientras que en el UV se pueden observar componentes desplazados al azul en muchas de las líneas anchas de emisión y blends presentes en esa región espectral. Otro factor importante a considerar en el ámbito de los AGN es el papel de la emisión en radio frecuencias. En el contexto de la Secuencia Principal de los cuásares a bajo corrimiento al rojo, se observa que las fuentes intensas emisoras en radio (RL) están asociadas principalmente con los objetos de Población B, caracterizados por cuásares en los que se detectan mínimos o nulos desplazamientos hacia el azul (también llamados de outflows e identificados con la presencia de vientos). La comparación entre la línea de alta ionización de C IVλ1549 y Hβ (de baja ionización) en términos de anchura de las líneas y desplazamientos respecto a la velocidad de referencia del cuásar (en adelante rest-frame) permite evaluar el papel de las fuerzas radiativas en la generación de vientos intensos en el disco de acreción. Mientras que para los cuásares sin jets relativistas (RQ) en radio las propiedades del viento han sido más extensamente caracterizadas en función de la luminosidad y otros parámetros físicos, la situación es mucho menos clara para las fuentes con jets relativistas y emisión intensa en radio. Una cuestión importante a dilucidar en este tema es el efecto del jet relativista sobre el viento (y los correspondientes outflows), así como sobre la propia estructura de la región emisora en general. En el rango de corrimiento al rojo que estamos considerando, las líneas de alta ionización en el UV en el rest-frame de los cuásares se desplazan al ominio óptico, mientras que la región espectral de Hβ+[O III] se desplaza hacia el infrarrojo cercano. Las observaciones de la región espectral de Hβ se realizaron con el espectrómetro infrarrojo ISAAC en el telescopio VLT de la ESO (Chile). Estas observaciones nos permiten obtener una medida precisa del rest-frame de cada cuásar y situarlo en la Secuencia Principal, identificando su tipo espectral. Además, el conocimiento del rest-frame posibilita una comparación cuantitativa entre las líneas de baja y alta ionización. En cuanto al UV, para el estudio realizado se han utilizado principalmente datos del archivo espectroscópico del Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Los datos en radio analizados en esta tesis provienen principalmente de los mapeos a 1.4 GHz del NRAO VLA Sky Survey (NVSS) y del VLA FIRST Survey. A lo largo de esta tesis, se ha realizado una comparación entre líneas con el objetivo de resaltar las similitudes entre los rangos óptico y UV. En los estudios presentados en la la Parte I, se han detectado outflows significativos no solo en [O III]λ5007, sino también en líneas con perfiles anchos, como Hβ y C IVλ1549, lo que sugiere una asociación con la emisión proveniente de la región de líneas anchas (BLR, del inglés broad line region). Se muestra la existencia de una emisión extremadamente ancha en [O III]λ5007, comparable con la anchura del perfil de Hβ en cuásares con alta tasa de acreción. Además, líneas de emisión como [O III]λλ4959,5007 y CIVλ1549 parecen seguir tendencias muy similares. Tanto los outflows de [O III]λ5007 como los de C IVλ1549 muestran amplitudes muy altas y un alto grado de correlación, lo que podría indicar una posible conexión física entre los outflows producidos en la parte más interna y los producidos en la parte más externa del AGN. Este resultado parece reproducir el comportamiento observado en la población (minoritaria) de cuásares a bajo corrimiento al rojo en los que líneas de alta ionización como [O III]λ5007 están dominadas por una componente de outflow. Sin embargo, a diferencia de las muestras a bajo z, más del 60% de nuestros objetos a alto z muestran un desplazamiento al azul de [O III]λ5007 mayor que 250 km s−1. Encontramos que el principal factor que gobierna los outflows de [O III]λλ4959,5007 y C IVλ1549 es la relación de Eddington (tasa de acreción), con un efecto de segundo orden, no despreciable, de la luminosidad del AGN asobre la amplitud de los desplazamientos al azul. En la Parte II de la tesis, se aborda la dicotomía de loa cuásares en radio (radio-loud y radioquiet, RL/RQ) y la relación entre las propiedades en radio y las propiedades ópticas/UV. Las líneas de alta ionización, especialmente en fuentes con emisión débil en radio (RQ), suelen presentar una asimetría significativa hacia el azul, lo que constituye una fuerte evidencia de flujos de materia hacia fuera, outflows. En cambio, los cuásares con emisión intensa en radio (RL) exhiben componentes de outflow relativamente moderados. De manera que, los cuásares con las emisiones en radio más potentes muestran loa perfiles de las líneas más simétricos tanto en el rango UV como en el óptico. Nuestro análisis sugiere que la emisión en radio parece contribuir, de alguna manera, a outflows menores, y que los outflows más intensos, en ambas líneas de [O III]λ5007 y C IVλ1549, son debidos principalmente a la acreción. La Parte III de esta tesis explora cómo líneas anchas de emisión de ionización intermedia en el UV son apropiadas como estimadores del ensanchamiento virial de las líneas y, en consecuencia, para la estimación de la masa del agujero negro a altos (y bajos) corrimientos al rojo. Se derivan las correspondientes leyes de escala utilizando las líneas anchas del doblete de Al IIIλ1860 y de CIII]λ1909, dado que encontramos que la anchura de estas líneas del UV está altamente correlacionada con la de Hβ y, en consecuencia, pueden considerarse equivalentes para la mayoría de los cuásares de Población A (generalmente de alta acreción). Relaciones que se verifican con una muestra de cuásares cubriendo cinco órdenes de magnitud en luminosidad. Finalmente, en la Parte IV, hemos analizado una muestra pequeña de cuásares radio-loud y radio-quiet, y el análisis preliminar revela que los cuásares radio-loud presentan metalicidades sub-solares/solares, más bajas que en el caso de los objetos radio-quiet. Además, nuestros resultados sugieren que existe un gradiente de metalicidad entre la Pop. A y la Pop. B en la MS, lo que podría arrojar luz sobre sus trayectorias evolutivas.