Plasma Diagnostics in the Broad Line Region of Active Galaxies using Emission Lines

The electromagnetic spectrum of active galactic nuclei (AGN) has two specific features: an intensive broad-band continuum that comes from Gamma to radio wavelengths, and broad and intensive emission lines. In this emission line spectrum there are broad emission lines (BELs) that come from the so-called Broad Line Region (BLR). Even today, kinematics and physics of the BLR are not fully understood, and there is no unique geometry of the BLR that can be applied to all AGN. So far it has been assumed and accepted that the BLR is ionized by the intensive continuum coming from the accretion disk around a supermassive black hole that is in the center of an AGN. Thus, it is assumed that the major ionization mechanism of this region is photoionization and that the BELs are the result of recombination. In this PhD Thesis we study the physical properties of the BLR using broad hydrogen and helium lines. In previous investigations, physical properties, i.e. the temperature and electron density, have been estimated according to the similarity of this region to the emission nebulae (e.g. H II regions) where ratios of some forbidden lines (e.g. [O III] and [N II] lines) have been used. Another way to estimate these parameters is to use complex numerical codes to reproduce the observed emission line spectrum. In this work we propose a direct method for estimation of the physical properties of the BLR using the flux ratios of hydrogen Balmer and helium (He I 5876 A and He II 4687 A) emission lines. The method is performed using Boltzmann-plot method (widely used for the laboratory plasma diagnostics) and numerical simulations of the plasma conditions in the BLR, that are done with the spectral synthesis code CLOUDY. The method is applied to a sample of AGN spectra were taken from the SDSS (Sloan Digital Sky Survey) database. We found that in this sample the BLR temperature is in the range T(BLR) = 4000-18000 K while the hydrogen density is n(H) = 10^8.6 - 10^11.5 cm^-3. The obtained results are in good agreement with previous rough estimates of these BLR physical parameters. Moreover, we study here the variation of the BLR temperature and density in two well known AGN (NGC 5548 and NGC 4151), that were observed in a large period (8 years for NGC 5548 and 11 years for NGC 4151) with 6m SAO telescope from Russia and 2.1 INAOE telescope from Mexico. At the end, let us say that the work in this PhD Thesis is an attempt to clarify and better understand the nature of the BLR in AGN.

Lo spettro elettromagnetico dei nuclei galattici attivi (AGN) ha due caratteristiche specifiche: un intenso ed esteso continuo che va dalle lunghezze d’onda gamma al radio, e larghe ed intense righe di emissione (BEL) che provengono dalla cosiddetta Broad Line Region (BLR). Ad oggi la cinematica e la fisica della BLR non sono pienamente comprese e non esiste un'unica geometria per la BLR che possa essere applicata agli AGN. Finora e' stato assunto e accettato che la BLR sia ionizzata dall’intenso continuo proveniente dal disco di accrescimento attorno a un buco nero supermassiccio che sta al centro dell'AGN. Percio' si e' assunto che il principale meccanismo di ionizzazione di questa regione sia la fotoionizzazione e che le BEL siano il risultato della ricombinazione. In questa tesi di dottorato studiamo le proprieta' fisiche della BLR utilizzando le righe larghe di idrogeno ed elio. In precedenti ricerche le proprieta' fisiche, cioe' temperatura e densita' elettronica, sono state stimate in analogia alle nebulose in emissione (per esempio le regioni H II), per le quali sono state usati i rapporti di alcune righe in emissione (ad esempio le righe di [O III] e [N II]). Un altro modo di stimare questi parametri consiste nell’usare codici numerici complessi al fine di riprodurre lo spettro delle righe di emissione osservate. In questo lavoro proponiamo un metodo diretto per la stima delle proprieta' fisiche della BLR usando i rapporti di flusso delle righe in emissione della serie di Balmer dell’idrogeno e dell’elio (He I 5876 A e He II 4687 A). Questo metodo e' realizzato combinando il metodo del Boltzmann-plot (ampiamente usato per analizzare il plasma di laboratorio) e le simulazioni numeriche delle condizioni del plasma nella BLR, che sono realizzate con il codice di sintesi spettrale CLOUDY. Il metodo e' applicato ad un campione di spettri di AGN estratti dal database della SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Abbiamo trovato che in questo campione la temperatura della BLR cade nell’intervallo T(BLR) = 4000 - 18000 K, mentre la densita' di idrogeno vale n(H) = 10^8.6 - 10^11.5 cm^-3. I risultati ottenuti sono in buon accordo con precedenti stime approssimative di questi parametri fisici della BLR. Inoltre, studiamo qui la variazione della temperatura e della densita' della BLR in due AGN molto noti (NGC 5548 e NGC 4151), che sono stati osservati in un lungo periodo (8 anni per NGC 5548 e 11 anni per NGC 4151) con il telescopio russo di 6 m del SAO e il telescopio messicano di 2.1 m del INAOE. In conclusione, possiamo dire che il lavoro condotto in questa tesi di dottorato e' un tentativo di chiarire e comprendere meglio la natura della BLR negli AGN.