Physics of the Broad Emission Line Regions in Active Galactic Nuclei and the Spectral Properties of the Balmer Series

The spectrum of the electromagnetic radiation coming from Active Galactic Nuclei (AGN) is often characterized by the presence of a continuous emission, covering a wide range of frequencies, which spans from the X and Gamma rays down to he radio waves, as well as by the existence of a large number of emission lines. The properties of these lines suggest an origin connected with the recombination processes, which follow the gas photo-ionization due to the most energetic fraction of the continuum irradiated by the source. Moreover, looking at the recombination line profiles, it is possible to distinguish among broad emission lines, exclusively associated to permitted atomic transitions, and narrow emission lines, which, instead, are commonly identified from forbidden transitions, as well. The distinction between profiles, based on the transition probabilities of the corresponding lines, tells us that the two types of emission have a different origin. In particular, the broad lines come from a region filled by a high particle density plasma, that lies extremely close to the central source of ionizing radiation, the Broad Line Region (BLR). Because of its limited extent and of the density of its material, the properties of the BLR are not directly observable, neither they can be appropriately handled by means of the spectroscopic techniques that are exploited in other conditions, where a balance among photo-ionization and recombination processes is carried out. The aim of this PhD. thesis is to study the kinematical and the thermodynamical properties of the gas, within the BLR, developing an analysis of the spectral lines emitted by hydrogen in the Balmer series. After discussing some fundamental features, which allow us an interpretation of the AGN nature, we describe the relationship among the thermodynamical conditions of the BLR plasma and the processes which take place in the central source. Our investigation exploits the application of Boltzmann Plots and that of a technique, based on line profile cross-correlation, on two object samples, collected at the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) database, to gather information from all the observed lines. The results obtained in this way improve our understanding of the BLR structure, as well as of the influence played by the central source in controlling the physical conditions of the gas located therein.

Lo spettro della radiazione elettromagnetica dei Nuclei Galattici Attivi (AGN) viene spesso contraddistinto dalla presenza di un continuo di emissione, esteso su di un vasto intervallo di frequenze, che vanno dai raggi X e Gamma fino alle onde radio, come pure da quella di un gran numero di righe di emissione. Le proprietà di queste righe suggeriscono un'origine legata ai processi di ricombinazione, che seguono alla foto-ionizzazione del gas da parte della porzione più energetica del continuo irradiato dalla sorgente. Osservando i profili delle righe di ricombinazione, inoltre, è possibile operare una distinzione tra righe di emissione larghe, esclusivamente associate a transizioni atomiche permesse, e righe di emissione strette, che, invece, vengono comunemente identificate anche in corrispondenza di transizioni proibite. La suddivisione dei profili, in base alla probabilità di transizione delle righe corrispondenti, indica che i due tipi di emissione hanno una diversa origine. In particolare, le righe larghe provengono da una regione occupata da un plasma ad alta densità particellare, che si trova nelle immediate vicinanze della sorgente centrale di radiazione ionizzante, la Broad Line Region (BLR). A causa della sua limitata estensione e della densità del materiale che la costituisce, le proprietà della BLR non sono direttamente osservabili, né possono essere gestite adeguatamente per mezzo dei metodi spettroscopici che vengono impiegati in altre situazioni, ove sussiste un bilancio tra processi di foto-ionizzazione e ricombinazione. Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di studiare le proprietà cinematiche e termodinamiche del gas, all'interno della BLR, sviluppando un'analisi delle righe spettrali emesse dall'idrogeno nella serie di Balmer. Dopo aver discusso alcune fondamentali caratteristiche, che permettono di interpretare la natura degli AGN, descriviamo la relazione tra lo stato termodinamico del plasma nella BLR ed i fenomeni che avvengono nella sorgente centrale. La nostra indagine sfrutta l'applicazione dei Diagrammi di Boltzmann e di una tecnica basata sulla cross-correlazione dei profili su due campioni di oggetti, selezionati presso l'archivio della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), per estrarre informazioni da tutte le righe osservate. I risultati così ottenuti migliorano la nostra comprensione della struttura della BLR, nonché dell'influenza giocata dalla sorgente centrale nel determinare lo stato fisico del gas al suo interno.