Measuring black hole masses in active galactic nuclei using the polarization of broad emission lines

Abstract

Супермасивне црне рупе (СМЦР-е) се налазе у центру готово сваке масивне галаксиjе у свемиру. Већина су неактивне, али када у околини има доста гаса, започеће активна фаза у коjоj се формира активно галактичко jезгро (АГJ). У активноj фази, СМЦР имаjу велики утицаj на еволуциjу галаксиjе коjа садржи АГJ и њеног окружења. Поуздано мерење масе СМЦР jе зато важан задатак савремене астрономиjе. У ту сврху, Афанасиев и Поповић (2015) су недавно предложили методу коjа користи ротациjу позиционог угла поларизационе равни дуж профила широке емисионе линиjе како би детектовали кеплеровско кретање и одредили масу СМЦР-е. Ова метода претпоставља да су широке линиjе емитоване из пљоснатог дисколиког региона са кеплеровским кретањем, док jе главни механизам поларизациjе расеjање на унутрашњем зиду копланарног торуса прашине – тзв. екваториjално расеjање. Циљ тезе jе теориjски испитати могућности ове методе. Извршили смо броjне Монте Карло симулациjе за моделирање екваториjалног расеjања код АГJ-а користећи кˆoд за пренос зрачења stokes (Goosmann & Gaskell 2007). Разматрали смо и утицаj комплексног кретања емисионог региона коjе може бити у форми радиjалног прилива и вертикалног одлива гаса, или услед присуства двоjне супермасивне црне рупе (ДСМЦР-е). Такође, изабрали смо четири добро позната АГJ-а коjа смо посматрали: NGC 4051, NGC 4151, 3C 273 и PG0844+349. Спектрополариметриjа jе урађена користећи SCORPIO спектрограф монтираним на 6-метарском БТА телескопу Специjалне астрофизичке опсерваториjе Руске академиjе наука (САО РАН-а). Моделирали смо сваки од ових АГJ-а користећи податке из литературе и упоредили смо резултате наших модела са посматрачким подацима. Добили смо да се ова метода може користити за независно мерење маса СМЦР-а код АГJ-а. Утицаj прилива и отицања гаса се може игнорисати уколико су њихове брзине мање од брзина кеплеровског кретања. Додатно, када jе расеjаваjући регион близу широколиниjског региона, ова метода не зависи од инклинациjе посматрања. За систем ДСМЦР-е ова метода се не може користити, међутим, добили смо jединствене профиле коjе нису уобичаjени за jедну СМЦР-у, што може бити коришћено за одређивање могућих кандидата за ДСМЦР-е. Процењене масе СМЦР-а за четири посматрана АГJ-а слажу се добро са масама коjе су процењене другим методама, пре свега методом реверберационог мапирања. Метода за независно мерење маса СМЦР-а jе у овом раду теориjски и експериментално проверена, што jе од изузетног значаjа за будућа изстраживања коjа се баве утицаjем СМЦР-а на своjу непосредну околину.

Supermassive black holes (SMBHs) reside in the heart of nearly every massive galaxy in the Universe. Most of them lie dormant, but when the nearby gas is abundant, it will enter an active phase and form an active galactic nucleus (AGN). In their active phase, SMBHs have a profound effect on the host galaxy evolution and its environment. Reliable SMBH mass measuring is therefore an important task in modern astronomy. For that purpose, a method has been recently proposed by Afanasiev & Popović (2015) that uses the rotation of the polarization plane position angle across the broad emission line profle in order to trace the Keplerian motion and determine the SMBH mass. This method assumes that broad lines are emitted from a flattened disk-like region undergoing Keplerian motion, while the polarization is mainly due to the light scattering of the inner side of the coplanar dusty torus – the equatorial scattering. The goal of the thesis is to theoretically explore the possibilities of this method. We performed numerous Monte Carlo simulations for modeling equatorial scattering in AGNs using the radiative transfer code stokes (Goosmann & Gaskell 2007). We included complex motion of the emitting region in the form of radial inflows, vertical outflows, or due to the presence of the supermassive binary black holes (SMBBHs). We also selected four well known AGNs for observations: NGC 4051, NGC 4151, 3C 273 and PG0844+349. Spectropolarimetry was done with the 6 m telescope BTA of the Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Science (SAO RAS) with the focal reducer SCORPIO. We modeled each of these AGNs using observational data available from the literature, and we compared the results of our models with observational data. We fnd that this method can be used as a new independent way to measure the SMBH masses in AGNs. The influence of the inflows and the outflows can be ignored if they are much lower than the Keplerian velocity. Additionally, when the scattering region is close to the broad line region, this method becomes independent of the viewing inclination. For SMBBHs, this method cannot be used, however, we obtained unique polarization profles which are not common for a single SMBH, which could be used for identifying possible SMBBH candidates. SMBH mass estimates for the four observed AGNs are in good agreement with the masses obtained using other methods, such as the method of reverberation mapping. Method for independent SMBH mass measurements has been theoretically and experimentally verifed in this work, which is very important for the future research that is dealing with the SMBH influence on its immediate environment.