Caracterización espectrofotométrica del entorno de una muestra de objetos BL Lac en el óptico

Los blazares son un tipo de núcleos galácticos activos (AGN por sus siglas en inglés) caracterizados por presentar emisión, intensa y variable, a lo largo de todo el espectro electromagnético, desde radio hasta rayos gamma. Sus distribuciones espectrales de energía (SED por sus siglas en inglés) están dominadas por emisión no térmica generada por procesos sincrotrón a bajas frecuencias, y (posiblemente) por Compton inverso a frecuencias más altas. Según el modelo estándar de acreción de materia a un agujero negro supermasivo (SMBH por sus siglas en inglés), los blazares son AGNs cuyos jets están orientados en la dirección de la visual. En consecuencia, la emisión electromagnética proveniente del jet se ve modificada por efectos relativistas que incrementan en varios órdenes de magnitud el flujo observado y acortan las escalas de tiempo, generando el dominio de su emisión por sobre la de cualquier otra componente del AGN como, por ejemplo, la emisión térmica del disco de acreción, la emisión de las nubes de gas circundante (líneas), etc. En el caso de los objetos BL Lac, un subtipo de blazares, este efecto es tal que sus espectros ópticos consisten puramente de un continuo no térmico, sin que se detecten líneas de emisión, o bien, que sólo se detecten líneas extremadamente débiles. Por consiguiente, para muchos de estos objetos, no ha sido posible determinar su valor de corrimientos al rojo (z), lo cual genera incerteza en todas las propiedades físicas que dependen de la distancia. En muchos casos se estima el valor de z a partir de la detección de la galaxia anfitriona, pero esto no siempre es posible debido justamente al intenso flujo del núcleo activo que domina la emisión, sumado al problema de la resolución espacial. Un caso que particularmente ha planteado un dilema, es el de los blazares detectados en rayos gamma de muy altas energías (VHE: Very High Energy; E > 100 GeV) que presentan corrimientos al rojo, estimados, relativamente altos. Para un objeto a z=0.5, más del 90% de los fotones gamma emitidos a VHE son absorbidos por la componente infrarroja de la luz difusa extragaláctica (EBL por sus siglas en inglés), debido a procesos de creación de pares electrón–positrón, generando un efecto similar al del polvo interestelar (en el rango óptico) sobre la luz de las estrellas, debido a que el flujo observado del blazar en rayosgamma resulta atenuado, presentando un espectro más “blando” que el intrínseco. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el espectro gamma intrínseco sólo puede reconstruirse conociendo z y disponiendo de un modelo apropiado de la EBL. A partir de observaciones realizadas con el Telescopio Espacial Hubble (HST por sus siglas en inglés) se ha podido establecer que los blazares de tipo BL Lac se albergan en galaxias elípticas gigantes luminosas (MR =-23 mag --> -24 mag y Reff=-8 kpc --> 17 kpc), comúnmente encontradas en cúmulos pobres o grupos compactos (denominados “cúmulos anfitriones”) en donde los vecinos más cercanos suelen ser elípticas normales. El estudio de las galaxias anfitrionas presenta gran dificultad teniendo en cuenta que el intenso brillo proveniente del blazar, en la mayoría de los casos, impide observar la componente estelar. Por lo tanto, aunque las imágenes del HST permiten realizar un estudio más detallado en la cercanía del núcleo, su profundidad no es suficiente como para detectar las regiones más externas y débiles. En consecuencia, la determinación del corrimiento al rojo de objetos BL Lac en base a la detección de su galaxia anfitriona no es el método más eficiente, pero resulta ser una herramienta útil si se encuentra acompañada de la evidencia de un cúmulo anfitrión de galaxias conteniéndola, debido a que se convierte en el escenario ideal para el estudio de blazares con corrimiento al rojo indeterminado. Bajo este contexto, en esta tesis se desarrolla una técnica espectrofotométrica que busca determinar el corrimiento al rojo de una muestra limitada de objetos BL Lac, específicamente los objetos 3C 66A, PG 1553+113 y PKS 0332-403. Estos tres blazares distantes, emisores de rayos- y detectados en altas y muy altas energías, fueron estudiados en diferentes trabajos sin resultados definitivos alrededor de su corrimiento al rojo. Para estos objetos no se ha reportado la detección de su galaxia anfitriona y tampoco se ha realizado un estudio detallado de su entorno inmediato. Por lo cual, a través del método espectrofotométrico aquí propuesto, se realiza un análisis tanto de los blazares que componen la muestra como de los objetos presentes en su cercanía, con la intención de estimar su corrimiento al rojo, ya sea, de forma directa a través de la observación de alguna característica en sus espectros ópticos y/o la detección de sus galaxias anfitrionas, o de forma indirecta, a través de la detección de sus cúmulos anfitriones. Este análisis se desarrolla a partir de datos fotométricos y espectroscópicos obtenidos con los telescopios Gemini Norte y Gemini Sur en los filtros g’ e i’ y haciendo uso de los espectrógrafos Multi-Objeto GMOS (por sus siglas en inglés) con las redes de difracción B600 y R400. Estos instrumentos permitieron observar campos de 5.5x5.5 arcmin^2 centrados en cada uno de los blazares y extraer el espectro de 78 fuentes individuales. Los datos fueron reducidos y analizados con ayuda de una serie de tareas incluidas dentro del software iraf, propias para el tratamientos de imágenes obtenidas con este instrumento, así como también de programas independientes como SExtractor. En el desarrollo del método propuesto se ejecuta una serie de procedimientos para el cumplimiento del objetivo principal de esta tesis: - Se realiza la fotometría de todos los objetos presentes en cada campo, en los filtros g’ e i’. - Se elaboran los diagramas color-magnitud (DCM) de cada campo. - Se obtiene el espectro óptico tanto de los blazares como de una submuestra de galaxias seleccionadas en su entorno. - Se determina el corrimiento al rojo de estas galaxias a través de un proceso de correlación cruzada, que permite identificar líneas de emisión y/o absorción en sus espectros. - Se identifican cúmulos de galaxias en cada campo, a partir de la igualdad del corrimiento al rojo espectroscópico, para los objetos de la submuestra. - Se realiza un análisis espectrofotométrico que permite evaluar la probabilidad de pertenencia de los blazares a alguno de estos cúmulos. Este conjunto de procedimientos resulta importante debido a que incrementa la probabilidad de determinar el corrimiento al rojo de los blazares, incluso, si no hay resultados espectroscópicos favorables, considerando que el estudio espectrofotométrico de sus entornos, puede proporcionar la identificación de su posible “cúmulo anfitrión” y, llegado el caso, establecer límites de z comparables con las medidas reportadas en otros trabajos. Al final de esta tesis, se identifica si existe alguna asociación física entre los blazares de la muestra y los cúmulos detectados en sus entornos, haciendo uso de un método poco aplicado que permitiría la resolución del problema que dio origen a esta investigación: la determinación del corrimiento al rojo de una muestra de blazares de tipo BL Lac. Un resultado positivo en la aplicación del método espectrofotométrico propuesto para la determinación del corrimiento al rojo de las fuentes estudiadas, proporcionaría información importante para la futura reconstrucción de su espectro en rayos gamma intrínseco y la elaboración de un modelo de EBL apropiado para el análisis de fuentes distantes, lo que resulta significativo tanto para la astrofísica de los AGNs como para la cosmología.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica