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Frezzato, Michele (2018) Modeling the Extended narrow line Region in the era of Integral Field surveys. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

The Extended Narrow Line Region (ENLR) of Active Galactic Nuclei (AGN) is a region of highly ionized gas with conical or bi-conical shape, extending from the Narrow Line Region (~ 100 pc) up to 15-20 kpc with the apexes pointing towards the nucleus. At the moment ~ 50 galaxies have been found showing evidence of ENLR, the vast majority of which are nearby Seyfert galaxies. The presence of these cones is interpreted in the framework of the Unified Model of AGN thatpredicts an anisotropic radiation field escaping from the nucleus, collimated by a dusty torus. The strong non-thermal radiation produced by the accretion disk seems indeed to be the main responsible of the ionization in the ENLR, although the contribution of shocks cannot always be neglected. The ionized gas however does not reside entirely inside the cones. There is evidence of several Seyfert galaxies (e.g. NGC 4151, Mrk 3, NGC 3393) showing low-ionization lines emission, identifiable in BPT diagnostic diagrams as LINERs emission, located in the outskirts of the cones or even in the cross-cone region. It is argued that these spatial variation of the ionization in the ENLR may be a new channel in the study of the collimation by the torus and could provide valuable information on the torus structure (e.g. clumpiness, edge features). Moreover, recent advances in integral field spectroscopy and the start of the first integral field survey could provide an unprecedented advantage in a more thorough characterization of this phenomenon.
The theoretical study of ionized gas in AGN is mainly carried out through photo-ionization models realized with dedicated codes. The radiative transfer, ionization and chemistry calculations are solved numerically due to the complexity of the problem. The state of the art of these models still relies on an ad hoc single-zone or two-zone approach, able to reproduce the gas spectral features in detail, however not suited to study spatial effects in the ENLR.
The aim of this work is to explore a new method to realize photo-ionization
models of ENLR, taking into account both a cloud-based distributions of gas and the effects of the torus structure on the collimation of the nuclear radiation and on the ionization of gas inside and outside the cones. For the first time the models will be bi-dimensional in order to provide a useful tool to be compared with integral field data.
To achieve this goal we developed a python code able to perform a procedural generation of the gas distribution in different regions of space, i.e. the cloud parameters as their position, dimension and mass are randomly drawn from a probability distribution determined by the user. This multi-cloud approach is intended to avoid the simple assumption typical of traditional photo-ionization models and at the same time to reproduce the observation with a more realistic ansatz on the distribution of gas. The user can, for instance, generate clouds of gas in the galactic disk and ionize them with a chosen Spectral Energy Distribution (SED). To collimate the radiation we included a simple torus model, either clumpy, smooth or composite. The code interfaces with Cloudy, the photo-ionization code, through the pyCloudy libraries, and it is able to define a set of models, write the input files and, after the calculations are over, read and plot the results.

Abstract (italian)

La Extended Narrow Line Region (ENLR) dei Nuclei Galattici Attivi (AGN) è una regione di gas altamente ionizzato di forma conica o di cono bifalde, che si estende dalla Narrow Line Region (~ 100 pc) fino a 15-20 kpc con gli apici che puntano verso il nucleo.
Al momento circa 50 galassie hanno mostrato evidenza di una ENLR, di queste la maggior parte sono galassie di Seyfert nell'Universo locale. La presenza di questi coni viene interpretata nel contesto del modello unificato degli AGN, il quale predice che la radiazione uscente dal nucleo sia anisotropa, poiché collimata da un toro di gas e polveri. L'intensa radiazione non termica prodotta dal disco di accrescimento sembra a tutti gli effetti la principale responsabile della ionizzazione della ENLR, anche se il contributo degli shock non può essere sempre ignorato. Il gas ionizzato tuttavia non si limita solamente ai coni. Alcune galassie (e.g. NGC 4151, Mrk 3, NGC 3393) sono state osservate emettere righe di bassa ionizzazione ai margini dei coni o persino in direzione perpendicolare al cono stesso. Le variazioni spaziali della ionizzazione della ENLR potrebbero essere un nuovo canale per lo studio della collimazione della radiazione da parte del toro e fornire importanti informazioni sulla sua struttura. Inoltre i recenti progressi nella spettroscopia integral field e la comparsa delle prime survey con questi strumenti permetterano una sempre miglior caratterizzazione di questi fenomeni.
Lo studio teorico del gas ionizzato negli AGN viene condotto principalmente attraverso i modelli di fotoionizzazione, realizzati con codici dedicati. Questi
calcolano numericamente il trasporto radiativo, laionizzazione e la chimica del gas. Lo stato dell'arte di questi modelli consiste su un approcio ad hoc con una o due nubi di gas, in grado di riprodurre in dettaglio le caratteristiche dello spettro. Questi modelli non sono tuttavia adatti allo studio degli effetti su grande scala nella ENLR.
Lo scopo di questa tesi è esplorare un nuovo metodo per realizzare modelli di fotoionizzazione della ENLR che siano in grado di considerare gli effetti della struttura del toro sulla collimazione della radiazione utilizzando al contempo
una distribuzione del gas frammentata in nubi, realizzando così modelli bidimensionali.
Per raggiungere questo scopo abbiamo sviluppato un codice in python in grado di generare proceduralmente una distribuzione di gas in diverse regioni dello spazio. La posizione, la dimensione e la massa di ogni nube viene estratta casualmente da una distribuzione di probabilità decisa dall'utente. Questo metodo con multi nube è pensato per evitare le assunzioni tipiche dei modelli tradizionali e allo stesso tempo riprodurre le osservazioni con ipotesi più realistiche sulla distribuzione del gas. L'utente può, ad esempio, generare nubi di gas nel disco galattico e ionizzarle con una emissione di sua scelta. Per collimare la radiazione è stato incluso un semplice modello di toro: liscio, frammentato o composito. Il codice si interfaccia con Cloudy, il codice di fotoionizzazione, attraverso le librerie pyCloudy ed è in grado di definire un insieme di modelli, scrivere i file di input e, una volta che i calcoli sono terminati, leggere e mostrare i risultati.

Statistiche Download
EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Ciroi, Stefano
Supervisor:Di Mille, Francesco
Ph.D. course:Ciclo 30 > Corsi 30 > ASTRONOMIA
Data di deposito della tesi:15 January 2018
Anno di Pubblicazione:15 January 2018
Key Words:AGN, Seyfert, photo-ionization models, Extended Narrow Line Region, ENLR
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/05 Astronomia e astrofisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei"
Codice ID:10915
Depositato il:25 Oct 2018 17:11
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