Unveiling the physics of broad line regions in AGNs with GRAVITY

Santos, Daryl Joe (2025): Unveiling the physics of broad line regions in AGNs with GRAVITY. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Supermassive black holes (SMBHs) are believed to reside in the centre of most galaxies and have a vital role in galaxy formation and evolution, as indicated by the tight correlation between their masses and their host galaxy properties. It is, therefore, crucial to accurately measure SMBH masses. However, doing so requires spatially resolving the sphere of influence where the gravitational potential of the SMBH dominates. Within this region is the broad line region (BLR), which is responsible for the broad emission lines detected in the spectra of active galaxies. This emphasises the importance of studying the physics of the BLR in accurately measuring SMBH masses. GRAVITY, the second-generation instrument at the Very Large Telescope Interferometer (VLTI), provides unprecedented precision, allowing one to spatially resolve the BLR and measure the SMBH mass through dynamical modelling of the differential phase signal taken from interferometric observations. This work exploits the capability of GRAVITY to unveil the physics of BLR for the grand purpose of better understanding the SMBH-galaxy coevolution scenario. This dissertation is divided into three parts that all focus on understanding BLR physics with GRAVITY observations. The first one (GRAVITY Collaboration et al. 2024, A&A, 684, A167) shows the analyses of four new low-redshift active galactic nuclei (AGNs) observed with GRAVITY. Their BLRs have been spatially resolved, allowing accurate measurements of their central BH masses. Upon utilising all seven low-redshift GRAVITY-observed AGNs, we find a shallower slope in the radius-luminosity (R-L) relation compared to the canonical R-L relation based on reverberation mapping (RM) measurements. Several reasons for such a shallower slope include either the apparent role of accretion rate in producing smaller BLR sizes at higher luminosity, or the assumption that all AGNs have the identical ionising spectra is wrong. The second part of this dissertation (Santos et al. 2025a, A&A, 696, A30) presents a preparatory spectroscopic survey of 29 z ~ 2 AGNs observed with NTT/SOFI for the advent of GRAVITY+, the series of improvements in GRAVITY which will pave the way for observations of fainter and high-redshift AGNs. The survey aims to confirm their quasar nature and determine their expected interferometric signals for GRAVITY+ observations. However, we were also able to draw interesting conclusions about the emission line and BLR properties of our targets. Based on their SOFI spectra, we find that most of their Hα emission lines have line shapes (full-width-half-maximum to dispersion ratio or FWHM/σ) less than the Gaussian value of 2.35, which we purport to cause the measured virial factors of these targets to be lower than expected assuming Gaussian line shapes. Such smaller line shapes could be attributed to either the presence of both turbulent and rotational components in the BLR, or a two-component BLR model composed of an inner and outer part. The targets show moderate Eddington ratios (λ_Edd ~ 0.1), and most are fitted with the BLR model dominated by Keplerian motion. Two targets show asymmetric Hα emission lines, which can only be fitted with a BLR model dominated by radial motions. Lastly, their expected differential phase signals provide insights into the observability of the targets while considering their single-epoch BH mass estimates and their dependence on the chosen line width measurement. The third and last section of this dissertation (Santos et al. 2025b, to be submitted to A&A) studies the differential phase signal and reconstruction via dynamical modelling of the radiation-driven fountain (RDF) simulation that is widely used to explain the formation and physics of the BLR through vertical inflow-outflow systems due to radiative pressure. We simulate a GRAVITY observational campaign of a BLR generated from the RDF simulation with the same BH mass and AGN luminosity as NGC 3783, one of the low-redshift AGNs observed with GRAVITY, whose BLR has been spatially resolved. Using the spectral synthesis code, CLOUDY, the Brγ line profile of the model is generated, while the differential phase of the simulation is calculated from the photocentres of the cells in the simulation.The differential phase and flux spectra of the RDF simulation are fitted with the Pancoast model, a phenomenological model of the BLR that is widely used in GRAVITY and RM works. Our findings highlight the difficulty of the Pancoast model in recovering the geometric, angular, and kinematic properties of the simulation, especially its outflowing nature, despite successfully yielding consistent BH mass and BLR size with our ground truth values derived from the simulation. The Pancoast model is also able to recover the average picture of the simulation, which is a thin disc BLR dominated by Keplerian motion. We observe that the calculated differential phase of the simulation is asymmetric, which we purport is due to the asymmetry of its LoS velocity distribution. We emphasise the importance of future works in improving our current work, such as adding scattering physics to produce a smoother and single-peaked simulated Brγ emission line, investigating more snapshots of the simulation, looking into the super-Eddington case of the simulation, studying other possible prescriptions of the radial and angular distribution of the Pancoast model, and understanding the feasibility of studying other disc-wind simulations instead of the RDF simulation.

Abstract

Man geht heute davon aus, dass sich im Zentrum der meisten Galaxien extrem massereiche schwarze Löcher (supermassive black holes oder SMBHs) befinden. Enge Korrelationen zwischen ihrer Masse und vielen Eigenschaften ihrer Wirtsgalaxie lassen auf eine wichtige Rolle die SMBHs bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien schließen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Massen der SMBHs genau zu messen. Dazu muss jedoch die Region, die vom Gravitationspotenzial der SMBHs dominiert wird, räumlich aufgelöst werden. Innerhalb dieser Region befindet sich die sogenannte broad-line region (oder BLR), die für die breiten Emissionslinien in den Spektren aktiver Galaxien verantwortlich ist. Für die genaue Messung der SMBH-Massen ist es daher wichtig, die Physik der BLR zu verstehen. GRAVITY, ein Instrument der zweiten Generation am Very Large Telescope Interferometer (VLTI), bietet eine noch nie dagewesene Präzision, die es ermöglicht, die BLR räumlich aufzulösen und die Masse der SMBHs durch dynamische Modellierung des differentiellen Phasensignals aus interferometrischen Beobachtungen zu messen. Die vorliegende Arbeit studiert anhand von GRAVITY-Daten die Physik der BLR und die Erkenntnisse, die sich daraus ergeben, für das Szenario der Koevolution von SMBHs und ihren Galaxien. Diese Dissertation ist in drei Teile gegliedert, die auf drei Arbeiten zum Hauptthema des Verständnisses der BLR-Physik mit GRAVITY-Beobachtungen beruhen. Der erste Teil (GRAVITY Collaboration et al. 2024, A&A, 684, A167) zeigt neue Analysen von vier lokalen Galaxien mit aktiven galaktischen Kernen (active galactic nuclei oder AGNs), die mit GRAVITY beobachtet wurden. Ihre BLRs wurden räumlich aufgelöst, was genaue Messungen ihrer zentralen BH-Massen ermöglicht. Bei der Verwendung aller sieben mit GRAVITY beobachteten lokalen AGNs finden wir eine flachere Steigung in der Radius-Leuchtkraft (R-L)-Relation im Vergleich zur kanonischen R-L-Relation, die auf Messungen mit der Methode des Reverberation Mappings oder RM basiert. Für eine solche flachere Steigung spielt entweder die Akkretionsrate eine Rolle (durch Erzeugung kleinerer BLR-Größen bei gegebener Leuchtkraft), oder die Annahme, dass alle AGNs die gleichen Ionisationsspektren haben, ist falsch. Der zweite Teil dieser Dissertation (Santos et al. 2025a, A&A, 696, A30) stellt eine spektroskopische Durchmusterung von 29 z ~ 2 AGNs vor, die mit NTT/SOFI für in Vorbereitung auf GRAVITY+ beobachtet wurden. GRAVITY+ enthält eine Serie von Verbesserungen gegenüber GRAVITY, die den Weg für die Beobachtung von schwächeren AGNs bei höheren Rotverschiebungen ebnen werden. Das Ziel der Durchmusterung ist es, die Quasar-Natur dieser Quellen zu bestätigen und ihre erwarteten interferometrischen Signale für Beobachtungen mit GRAVITY+ zu bestimmen. Wir konnten jedoch auch interessante Rückschlüsse auf die Emissionslinien- und BLR-Eigenschaften unserer Ziele ziehen. Auf der Grundlage ihrer SOFI-Spektren stellen wir fest, dass die meisten ihrer Hα-Emissionslinien Linienformen (FWHM/σ) aufweisen, die unter dem Gaußschen Grenzwert von 2,35 liegen, was unserer Meinung nach dazu führt, dass die gemessenen Virialfaktoren dieser Quellen niedriger sind als unter der Annahme von Gaußschen Linienformen erwartet. Solche schmäleren Linienformen könnten entweder auf das Vorhandensein sowohl turbulenter als auch rotierender Komponenten in der BLR zurückzuführen sein, oder auf ein Zweikomponenten-BLR-Modell, bestehend aus einem inneren und einem äußeren Teil. Die Quellen weisen geringe Eddington-Verhältnisse auf ( λ_Edd ~ 0,1), und die meisten von ihnen passen zum BLR-Modell, das von Keplerbewegungen dominiert wird. Zwei Quellen zeigen asymmetrische Hα-Emissionslinien, die nur mit einem BLR-Modell mit radialen Bewegungen rekonstruiert werden können. Schließlich geben die erwarteten differentiellen Phasensignale Aufschluss über die Beobachtbarkeit der Objekte unter Berücksichtigung ihrer (RM-basierten) BH-Massenschätzung und ihrer Abhängigkeit von der gewählten Art der Linienbreitenmessung. Der dritte und letzte Abschnitt dieser Dissertation (Santos et al. 2025b, bei A&A einzureichen) untersucht das erwartete differentielle Phasensignal und dessen Rekonstruktion mittels eines dynamischen Modells einer strahlungsgetriebenen Fontäne (RDF), das weithin verwendet wird, um die Entstehung und die Physik der BLR durch Systeme mit strahlungsdruckgetriebenen vertikalen Ein- und Ausströmen zu erklären. Wir simulieren eine GRAVITY-Beobachtungskampagne eines aus der RDF-Simulation erzeugten BLR mit der gleichen BH-Masse und AGN-Leuchtkraft wie NGC 3783, einem der mit GRAVITY beobachteten AGNs mit niedriger Rotverschiebung, dessen BLR räumlich aufgelöst wurde. Mit Hilfe des Spektralsynthese-Codes CLOUDY wird das Brγ-Linienprofil des Modells erzeugt, während die differentielle Phase aus den Photozentren der Zellen in der Simulation berechnet wird. Die differentiellen Phasen- und Flussspektren der RDF-Simulation werden mit dem phänomenologischen Pancoast-Modell der BLR modelliert, das in GRAVITY- und RM-Arbeiten häufig verwendet wird. Unsere Ergebnisse zeigen, wie schwierig es für das Pancoast-Modell ist, die geometrischen und kinematischen Eigenschaften der Simulation wiederherzustellen, insbesondere die ausströmende Natur, obwohl die BH-Masse und die BLR-Größe konsistent mit unseren aus der Simulation abgeleiteten Werten übereinstimmen. Das Pancoast-Modell ist auch in der Lage, das durchschnittliche Bild der Simulation wiederherzustellen, nämlich das einer dünnen BLR-Scheibe, die von der Keplerschen Bewegung dominiert wird. Wir beobachten, dass die berechnete differentielle Phase der Simulation asymmetrisch ist, was wir auf die Asymmetrie der LoS-Geschwindigkeitsverteilung zurückführen. Wir betonen die Wichtigkeit zukünftiger Arbeiten zur Verbesserung unserer aktuellen Arbeit, wie z. B. das Hinzufügen von Streuphysik, um eine gleichmäßigere simulierte Brγ-Emissionslinie mit nur einer Spitze zu erzeugen, das Untersuchen weiterer Schnappschüsse der Simulation, das Untersuchen des Super-Eddington-Falls der Simulation, das Untersuchen anderer möglicher radialen und winkelmäßigen Verteilungen und die Untersuchung der Durchführbarkeit anderer Scheibenwindsimulationen anstelle der RDF-Simulation.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Juli 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Genzel, Reinhard