Mass determination of supermassive black holes in nearby galaxies

This thesis focusses on the measure of the mass of supermassive black holes (SBH) lurking in the center of nearby quiescent galaxies. Increasing the demography of SBHs allows to study the correlations between their mass and the properties of their host to get insights about the joint evolution of SBHs and galaxies. New stringent limits on the SBH mass of 7 nearby galaxies are obtained by modeling the central width of the nebular emission lines measured over subarcsecond apertures with the Hubble Space Telescope (HST). The central stellar velocity dispersion of each galaxy is derived from new long-slit spectra from ground-based observations and the bulge effective radius is derived from a two-dimensional photometric decomposition of the i-band images from the Sloan Digital Sky Survey. The SBH-mass limits run parallel and above the relation between the SBH mass and the stellar velocity dispersion with no systematic trend depending on the galaxy distance or morphology. This gives further support to previous findings suggesting that the nuclear gravitational potential is remarkably well traced by the nebular-line width when the gas is centrally peaked. With this investigation, the number of galaxies with SBH-mass stringent limits obtained from nebular-line width increases to 114. These galaxies are further analyzed to more tightly constrain their SBH mass by taking into account the stellar mass contribution in the galaxy nucleus. To this aim the surface brightness distribution is measured from HST images and the mass-to-light ratio of an old and metal-rich stellar population is adopted for 100 nearby galaxies (D<103 Mpc) spanning a wide range of Hubble types (E-Sc) and central velocity dispersions (58-419 km/s). The shape of the profile of the emission lines and of the radial profile of emission-line flux are analysed to verify that nongravitational forces have a minor impact on the SBH-mass estimate. On average the stellar mass contribution is larger for galaxies with low effective velocity dispersion partly due to the presence of a nuclear stellar cluster or disk. Moreover, the stellar mass contribution is negligible in ellipticals and depends on the aperture size rather than on galaxy distance. These new SBH-mass limits run parallel to the relation between the SBH mass and the stellar velocity dispersion and they exceed the expected values by a median factor of 1.7. This is a striking result, since the dynamical analysis does not rely on spatially-resolved gas distribution and kinematics. Finally, new stellar velocity dispersions within subarcsecond apertures are obtained for the nuclei of a sample of 28 nearby galaxies. HST spectra obtained with the G750M grating are fitted using a library of single stellar population models and Gaussian emission lines, while constraining in most cases the stellar population content from an initial fit to HST G430L spectra. These measurements are useful for constraining the SBH mass as illustrated by the cases of the lenticular galaxies NGC 4435 and NGC 4459. These are characterized by similar ground-based stellar velocity dispersions but remarkably different SBH masses, where in particular NGC 4435 appears to host a significantly undermassive SBH compared to what expected from the relation between the SBH mass and stellar velocity dispersion. Jeans axisymmetric dynamical models are built to match the ground-based stellar kinematics obtained with integral-field spectroscopy assuming a SBH mass as predicted from the relation with the velocity dispersion and using high-resolution images as a base for constructing the stellar-mass model. Such reference models are used to make a prediction for the nuclear velocity dispersion. Whereas it agrees with the nuclear measurement for NGC 4459, for NGC 4435 the observed velocity dispersion is remarkably smaller than the predicted one, which further suggests that this galaxy hosts an undermassive SBH.

Questo lavoro di tesi è dedicato alla misura della massa dei buchi neri supermassicci (SBH) che si celano al centro delle galassie quiescenti vicine. Aumentare il campione di SBH di massa nota permette di studiarne le relazioni con le altre proprietà delle galassie per poterne investigare l'evoluzione congiunta. Nuovi limiti stringenti sulla massa del SBH di 7 galassie sono stati fissati dalla misura della larghezza delle righe nebulari del gas ionizzato in spettri presi con l'Hubble Space Telescope (HST) entro aperture di dimensioni inferiori al secondo d'arco. La dispersione di velocità delle stelle è stata misurata con spettri a fenditura lunga presi da terra e il raggio efficace è stato ricavato dalla decomposizione fotometrica di immagini della Sloan Digital Sky Survey. Questi limiti di massa si dispongono parallelamente e al di sopra della relazione tra la massa del SBH e la dispersione di velocità delle stelle e non dipendono dalla morfologia o dalla distanza delle galassie. Questo suggerisce che il potenziale gravitazionale nei nuclei galattici è ben tracciato dalla larghezza delle righe di emissione se il gas si concentra verso il centro. Il numero delle galassie con un limite sulla massa del SBH ricavato dalla larghezza delle righe di emissione sale così a 114 oggetti. Queste galassie sono state ulteriormente analizzate includendo nel modello dinamico il contributo della massa stellare per ottenere limiti ancora più stringenti sulla massa del SBH. A tale scopo la brillanza superficiale misurata da immagini HST e il rapporto massa-luminosità tipico di una popolazione stellare vecchia e ricca in metalli sono stati usati per 100 galassie vicine (D<100 Mpc) e con un'ampia varietà di morfologie (E-Sc) e dispersioni di velocità (58-419 km/s). La forma dei profili delle righe di emissione e dell'andamento radiale del loro flusso sono stati studiati per escludere che le forze non gravitazionali giocassero un ruolo rilevante nella stima della massa del SBH. Il contributo stellare è maggiore per galassie con bassa dispersione di velocità, anche per la presenza di un ammasso/disco stellare nucleare, e trascurabile per le ellittiche. Esso dipende dalle dimensioni dell'apertura ma non dalla distanza della galassia. I nuovi limiti di massa si dispongono parallelamente alla relazione tra la massa del SBH e la dispersione di velocità ed eccedono il valore predetto dalla medesima solo di un fattore 1.7. Questo è un risultato notevole visto che il modello dinamico si basa su una distribuzione e cinematica del gas non spazialmente risolte. Infine, sono state ottenute nuove misure di dispersione di velocità stellare nel nucleo di 28 galassie. Gli spettri HST ottenuti con il reticolo G750M sono stati interpolati con modelli di popolazioni stellari e varie righe di emissione gaussiane, vincolando la popolazione stellare nel nucleo delle galassie grazie a spettri presi con il reticolo G430L. Queste misure permettono di porre dei forti vincoli sulla massa del SBH come mostrano i casi di NGC 4435 e NGC 4459. Si tratta di due galassie lenticolari caratterizzate da valori simili di dispersione di velocità stellare ma con masse di SBH molto diverse. In particolare, quella di NGC 4435 è molto più bassa rispetto a quanto predetto dalla relazione tra la massa del SBH e la dispersione di velocità stellare. Grazie a modelli dinamici stellari assisimmetrici è stata riprodotta la cinematica ottenuta da spettroscopia a campo integrale usando immagini HST e adottando come massa del SBH quella predetta dalla relazione con la dispersione di velocità. Questi modelli permettono di predire il valore centrale di dispersione di velocità e di confrontarlo con il valore osservato. Mentre per NGC 4459 il valore teorico e quello osservato sono in accordo, il valore misurato per NGC 4435 è molto più basso rispetto che a quello del modello dinamico indicando che la galassia ospita un SBH meno massiccio del normale.