Spectral properties and photoionization models of the NLR in Seyfert galaxies

Although the properties of Narrow Line Region (NLR) of Active Galactic Nuclei (AGN) have been deeply studied by many authors in the past two decades, many questions are still open, like the origin of the gas and possible differences between different types of AGN. Here we intend to explore the NLR of Seyfert galaxies by means of measurements of a large set of observed spectra and comparison with photo-ionization models. The photo-ionization by a non-thermal source is the most reliable ionization mechanism for the NLR. Indeed, many works support this hypothesis with direct measurements and comparisons with models. This thesis is based on three fundamental steps: i) the spectra selection, their measurement and spectroscopic classification of the targets; ii) the spectroscopic analysis and the physical parameters determination; iii) the photo-ionization models and their comparison with the observed spectra. The main goal is to collect a large statistical spectroscopic sample of Seyfert 2 and Intermediate-type Seyfert galaxies having a high signal-to-noise ratio in order to take advantage of a high number of emission lines to be accurately measured. 3154 spectra were selected from Sloan Digital Sky Survey - DR7 with a new diagnostic diagram based on the Oxygen emission-line ratios (Oxygen diagram). All the emission lines, broad components included, were measured by means of a self-developed code, named GGFIT, after the subtraction of the stellar component. Physical parameters, such as internal reddening, luminosity, temperature, density, gas and stellar velocity dispersion were determined for each object. Furthermore, an estimate of mass and radius of the NLR, kinetic energy of the ionized gas, and mass accretion rate of the black-hole was provided. Using the photo-ionization code, CLOUDY, we were able to reproduce the observed spectra, hence the most likely input parameters for different kinds of photo-ionization models were determined. The main parameters are metallicity, power-law index, ionization parameter, electron density, column density and dust-to-gas ratio. The comparison between models and observed spectra was performed by χ2 test on the emission-line fluxes. From the emission-line analysis, the measured physical properties and the comparison with the models it is clear that the most likely gas distribution is given by a low density medium (Ne ∼ 1 ÷ 10 cm−3) surrounding clouds with higher density (Ne > 4 × 105 cm−3). The dust should be reduced in the inner part of NLR. The emission line correlations suggest a stratified ionization, with high and low ionization clouds. In the Intermediate-type Seyfert sample we find lower extinction (the median value is AV ∼ 1mag), no correlation between gas and stellar velocity dispersion and the presence of the [FeVII] coronal lines, results which strongly suggest that we are looking deep inside the NLR. On the other hand in the Seyfert 2 sample we find higher extinction (the median value is AV ∼ 1.5mag) and a partial correlation between gas and stars kinematics. All is consistent with the Unified Model. The [OIII]5007 line is asymmetric in the vast majority of the cases, especially in the Intermediate-type Seyfert sample. 75% of the [OIII]5007 asymmetric lines show a blue asymmetry. This is consistent with gas outflow in a medium rich in dust. Finally, the models seem to indicate a generally high metallicity of the NLR (1 ÷ 2.5Z⊙) and this suggests that in most of the cases the ionized gas belongs to the host galaxy.

Sebbene le propriet`a della Narrow Line Region (NLR) dei Nuclei Galattici Attivi (AGN) siano stati studiati in modo approfondito da molti autori negli ultimi decenni, molte questioni sono ancora aperte, come l’origine del gas e le possibili differenze tra i diversi tipi di AGN. Noi qui intendiamo investigare le NLR delle galassie di Seyfert attraverso la misura di un grande campione di spettri e il confronto con modelli di fotoionizzazione. La fotoionizzazione da una sorgente non termica `e il meccanismo di ionizzazione pi´u accreditato nel caso delle NLR. Infatti, molti lavori sostengono questa ipotesi con misure dirette e con il confronto con i modelli. La tesi si basa su tre punti fondamentali: i) la selezione degli spettri, la relativa misura e classificazione; ii) l’analisi spettroscopica e la determinazione dei parametri; iii) i modelli di fotoionizzazione e il loro confronto con gli spettri osservati. Lo scopo principale `e la raccolta di un vasto campione di spettri di Seyfert 2 e di Seyfert intermedie con alto rapporto segnale rumore in modo tale da misurare in modo accurato un grande numero di righe. Sono stati selezionati 3154 spettri dalla Sloan Digital Sky Survey - DR7 con un nuovo diagramma diagnostico, basato sui rapporti delle righe di emissione dell’Ossigeno (diagramma degli ossigeni). Tutte le righe in emissione, incluse le componenti larghe (broad) sono state misurate tramite un codice da noi sviluppato, chiamato GGFIT, dopo la sottrazione della componente stellare. Per ogni oggetto sono stati determinati i parametri fisici, come arrossamento, luminosit`a, temperatura, densit`a, dispersione di velocit`a del gas e delle stelle. Inoltre `e stata fornita una stima della massa e del raggio della NLR, dell’energia cinetica del gas ionizzato, e del tasso di accrescimento della massa del buco nero. Usando il codice di fotoionizzazione, CLOUDY, siamo stati in grado di riprodurre gli spettri osservati e di derivare i parametri di ingresso pi`u probabili per le differenti tipologie di modelli. I parametri pi`u importanti sono: la metallicit`a, l’indice di “power-law”, il parametro di ionizzazione, la densit`a elettronica, la densit`a di colonna e il rapporto fra la quantit`a di polvere e di gas. Il confronto fra i modelli e gli spettri osservati `e stato fatto tramite il test χ2 sui flussi delle righe in emissione. Dall’analisi delle righe in emissione, dalle propriet`a fisiche misurate e dal confronto con i modelli appare chiaro che la distribuzione pi`u probabile del gas `e data da un mezzo a bassa densit`a (Ne ∼ 1 ÷ 10 cm−3) che circonda nubi con densit`a maggiore (Ne > 4 × 105 cm−3). La quantit`a di polveri dovrebbe essere ridotta nelle zone interne della NLR. Le correlazioni fra le righe di emissione suggerisce una ionizzazione stratificata, con nubi di alta e bassa ionizzazione. Nel campione di Seyfert intermedie abbiamo trovato un’estinzione ridotta (il cui valore mediano `e AV ∼ 1.0mag), nessuna correlazione nella dispersione di velocit`a fra gas e componente stellare e la presenza delle righe coronali del ferro VII, risultati che suggeriscono fortemente che stiamo guardando in profondit`a nella NLR. D’altro canto nel campione delle Seyfert 2 troviamo una maggiore estinzione (il cui valore mediano `e AV ∼ 1.5mag) e una parziale correlazione nella cinematica fra gas e componente stellare. Tutto questo `e consistente con il Modello Unificato. La riga [OIII]5007 appare asimmetrica nella maggior parte dei casi, specialmente nel campione delle Seyfert intermedie. Il 75% delle righe [OIII]5007 asimmetriche mostra una asimmetria blu. Questo `e consistente con un deflusso di gas ionizzato in un mezzo ricco di polveri. Infine, i modelli sembrano indicare un alto grado di metallicit`a della NLR (1 ÷ 2.5Z⊙) e questo suggerisce che nella maggior parte dei casi il gas ionizzato appartiene alla galassia ospite.