京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22252号 / 理博第4566号 / 新制||理||1656(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 上田 佳宏, 准教授 岩室 史英, 教授 長田 哲也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22251号 / 理博第4565号 / 新制||理||1655(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 嶺重 慎, 准教授 前田 啓一, 教授 長田 哲也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第25117号 / 理博第5024号 / 新制||理||1716(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 上田 佳宏, 准教授 岩室 史英, 教授 前田 啓一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Over recent years there has been an increase of the number of secure supermassive black hole (SMBH) detections. These SMBH measurements have lead astronomers to establish well defined empirical relationships between the SMBH mass and some of the properties of the host galaxy. The number of galaxies with SMBH mass measurements is currently limited to about 100. One approach of expanding the study of the SMBH is to use the empirical relations for estimating M[subscript(bh)] for larger samples of galaxies. The investigation of the SMBH population (or SMBH mass function) for large sample of galaxies in the nearby universe has helped to constrain the SMBH and the galaxy evolution. Previous estimates of the SMBH mass function at low redshift were produced mainly by combining the measurements of the galaxy luminosity or velocity function with one of the SMBH scaling relations. In the first part of the thesis I will present an independent construction of the nearby supermassive black hole mass function by applying the optical M[subscript(bh)]–L relation onto the Millennium Galaxy Catalogue (MGC). Additionally, in the second part I will provide photometric analysis of all UKIDSS galaxies for which SMBH masses have been measured. I will derive composite profiles of brightness, ellipticity and position angles of each galaxy. I will show that the Sérsic function fits the brightness profile of the majority of the elliptical galaxies and the bulge of disk galaxies and I will provide alternative multi-component fits when necessary. Then these photometric parameters will be used for constructing the M[subscript(bh)]–L relation in the near-IR and to investigate the M[subscript(bh)]–n relation. In the third part I will construct the near-IR SMBH mass function for the Galaxy and Mass Assembly (GAMA) survey. For this purpose I will apply the newly derived M[subscript(bh)]–L relation onto an elliptical subsample of K-band images. The advantage of this SMBH mass function is that during the M[subscript(bh)]–L construction I used the same quality images and techniques used on the GAMA survey. Apart from the M[subscript(bh)]–L relation, the M[subscript(bh)]–sigma relation was used as an alternative approach for a subsample of galaxies for which the velocity dispersions were available. Furthermore, I employed both local SMBH mass functions (MGC & GAMA) for estimating the SMBH mass density at redshift zero and accounted for the dependence of the total SMBH density on the look-back time by comparing with semi-analytic SMBH mass functions. Finally, from the SMBH mass density I estimated the baryon fraction that is locked into SMBHs.

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif, Sagittarius A*. Sa proximité en fait un laboratoire privilégié pour étudier les phénomènes d’accrétion à l’œuvre autour des trous noirs et contraindre le cycle d’activité de ces astres. Sgr A* est actuellement extrêmement peu lumineux et malgré des sursauts d’activité quotidiens sa luminosité demeure au moins huit ordres de grandeur en dessous de sa luminosité d’Eddington. Cet objet est ainsi l’un des trous noirs supermassifs connus les moins lumineux. Les mécanismes radiatifs à l’origine des variations quotidiennes observées ne sont pas clairement identifiés. Nous présentons les résultats d’une campagne d’observation multi-longueurs d’onde visant à mesurer le spectre de ces événements simultanément en rayons X et en infrarouge proche, à l’aide de l’observatoire XMM-Newton et de l’instrument VLT/NACO. Les données infrarouges obtenues grâce à la technique de spectro-imagerie en bande large ont permis d’étudier la variabilité du spectre de Sgr A* en infrarouge. Les incertitudes liées aux erreurs systématiques sont encore importantes mais les premiers tests réalisés semblent indiquer que l’indice spectral pourrait dépendre de la luminosité du trou noir. Sur des échelles de temps plus grandes, nous montrons également que Sgr A* n’a pas toujours été aussi peu actif. Des traces de son activité passée sont en effet visibles dans la matière moléculaire directement autour du trou noir, notamment sous la forme d’un rayonnement réfléchi visible dans la raie de fluorescence du fer à 6.4 keV. Nous avons réalisé une étude complète et systématique des variations de cette émission détectée dans la zone moléculaire centrale en utilisant les observatoires Chandra et XMM-Newton. Nos résultats confirment que Sgr A* a connu des sursauts intenses au cours des derniers siècles, au moins six ordre de grandeur en dessus de la luminosité actuelle. En particulier, nous avons mis en évidence, pour la première fois, la présence de deux événements transitoires distincts de relativement courte durée, probablement liés à des événements catastrophiques. Ces résultats constituent une première étape pour relier l’activité de ce trou noir spécifique aux autres noyaux de galaxie présents dans l’Univers. / Sagittarius A⋆ is the supermassive black hole at the Galactic center. Due to its proximity, this specimen is an excellent laboratory to study the accretion processes occurring around black holes and to constrain the duty cycle of these objects. Sgr A* is currently extremely faint and despite the detection of daily flares, its luminosity remains at least eight orders of magnitude below its Eddington luminosity, making this specimen one of the least luminous known supermassive black holes. The radiative processes responsible for the daily variations of its luminosity have not been clearly identified yet. We present the results of a multi-wavelength campaign observing Sgr A* simultaneously in X-rays and in the near-infrared, using the XMM-Newton observatory and the VLT/NACO instrument. We studied the spectral variability of Sgr A* using the infrared data we obtained through a spectro-imaging technique. Uncertainties linked to the systematic errors are still large but the first tests applied seem to show that the spectral index of Sgr A* could depend on the black hole luminosity. On longer timescales, we demonstrate that Sgr A* experienced a higher level of activity in the recent past. Indeed, echoes of its past activity can be detected in the molecular material surrounding the black hole. They are traced by a strong signal in the iron fluorescence line at 6.4 keV. We achieved a complete and systematic study of this variable emission detected from the central molecular zone, using Chandra and XMM-Newton observatories. Our results confirm that Sgr A* experienced intense flares in the past few centuries, with a luminosity at least six orders of magnitude higher than its current one. In particular, we highlight for the first time the existence of two distinct transient events of relatively short duration, which are probably due to catastrophic events. These results are the first step needed to include Sgr A*’s activity into a broader understanding of the galactic nuclei.

Les galaxies centrales d'amas de galaxies constituent un environnement particulier pouvant parfois être entouré, dans le domaine optique, d'un système filamentaire complexe et étendu. L'étude de ces structures permet de mieux comprendre le phénomène de rétroaction impliqué au sein de ces galaxies et lié à la présence d'un trou noir supermassif en leur centre. La formation de jets et de bulles remplis d'émission radio conduit à réchauffer et sculpter le milieu intra-amas environnant. Ce réchauffement empêche ainsi le refroidissement du gaz intra-amas et donc la formation stellaire. Les filaments visibles dans le domaine optique ne constituent qu'une partie de la structure multiphasique qui entoure la galaxie centrale d'amas. En effet, plusieurs observations en rayons X du gaz intra-amas et radio du gaz moléculaire montrent clairement des corrélations spatiales entre toutes ces types d'émissions. Néanmoins, plusieurs points restent encore incertains concernant ces nébuleuses filamentaires. Deux modèles principaux s'opposent ainsi pour tenter d'expliquer l'origine de leur formation et le phénomène d'ionisation du gaz n'est toujours pas déterminé avec certitude. Dès lors, l'étude de la nébuleuse filamentaire entourant la galaxie centrale de l’amas de Persée, NGC 1275, au moyen d'observations à très haute résolution spectrale à l'aide de l'instrument SITELLE (Spectromètre imageur à transformée de Fourier pour l’étude en long et en large de raies d’émission), se révèle fondamentale. Ce spectromètre imageur à transformée de Fourier installé au télescope Canada-France-Hawaï dispose de caractéristiques exceptionnelles nous permettant d'étudier la nébuleuse filamentaire de NGC 1275 dans son entièreté. En effet, le champ de vue extrêmement large de SITELLE ($11' \times 11'$) ainsi que sa capacité d'atteindre de très hautes résolutions spectrales en font un atout de choix pour l'étude de telle structure. Dans ce mémoire, nous avons analysé de nouvelles observations de NGC 1275 obtenues avec SITELLE, à une très haute résolution spectrale de $R = \lambda/\Delta\lambda = 7000$. L'analyse de ces observations a permis de renouveler les cartes de vitesse, flux et dispersion en vitesse au sein de la nébuleuse filamentaire, démontrant ainsi que la région centrale semble plus dynamique qu'anticipée auparavant. De plus, grâce à la très haute résolution spectrale atteinte au sein de ces données, une analyse détaillée des raies d'émission de [SII] a pu être menée, révélant dès lors plus d'informations sur la densité du gaz au sein des filaments. L'étude de ratio de raies permet également de mieux cerner le mécanisme d'ionisation ayant lieu au sein de cette structure. Finalement, cette étude de données à très haute résolution spectrale des filaments permettra à terme d'obtenir les diagrammes BPT offrant ainsi une meilleure compréhension du phénomène d'ionisation. Une étude sera également menée sur les multiples composantes en vitesse visible localement dans la région centrale des filaments et pouvant être résolues. Enfin, ces données serviront de base pour les futures observations en rayon X de l'instrument XRISM (\textit{X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission}). / The central cluster galaxies constitute a particular environment that can sometimes be surrounded, in the optical domain, by a complex and extended filamentary system. The study of these structures makes it possible to better understand the feedback phenomenon involved within these galaxies and linked to the presence of a supermassive black hole in their center. The formation of jets, streams and bubbles filled with radio emissions that it entails leads to heating and sculpting the surrounding intra-cluster medium. This heating thus prevents the cooling of the gas by emission and therefore the formation of stars. Thus, the filaments visible in the optical domain are only part of the multiphase structure that surrounds the central cluster galaxy. Indeed, several X-ray and radio observations clearly show spatial correlations between all these types of emissions. Nevertheless, several points still remain uncertain concerning filamentary nebulae. Two main models thus oppose each other in an attempt to explain the origin of their formation, either through precipitation or lifted up in the wake of radio bubbles, and the phenomenon of gas ionization is still not determined with certainty. Therefore, the study of the filamentary nebula surrounding the central cluster galaxy of the Perseus cluster, NGC 1275, by means of very high spectral resolution observations using the SITELLE instrument (Spectromètre imageur à transformée de Fourier pour l’étude en long et en large de raies d’émission), can yield fundamental results that will shed light on the origin and evolution of these filamentary nebulae. SITELLE is a Fourier transform imaging spectrometer installed at the Canada-France-Hawaii telescope that has exceptional characteristics allowing us to study the filamentary nebula of NGC 1275 in its entirety. Indeed, the extremely wide field of view of SITELLE ($11' \times 11'$) as well as its capacity to reach very high spectral resolutions make it an instrument of choice for the study of such structures. Here, we present the analysis of new observations of NGC 1275 taken with SITELLE at very high spectral resolution of $R = \lambda/\Delta\lambda = 7000$. The analysis of these observations has thus made it possible to produce new maps of velocity, flux and velocity dispersion within the filamentary nebula, thus demonstrating that the central region seems more dynamic than previously anticipated. In addition, thanks to the very high spectral resolution achieved within these data, a detailed analysis of the emission lines of [SII] could be carried out, revealing more information on the density of the gas within the filaments. The study of line ratios also makes it possible to better understand the ionization mechanism taking place within this structure. Finally, this study of very high spectral resolution data from the filaments will ultimately make it possible to obtain BPT diagrams, thus offering a better understanding of the ionization phenomenon. The multiple velocity components, locally visible and resolved in the central region of the filaments, will also be studied. Finally, these data will serve as a basis for future X-ray observations from the XRISM (\textit{X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission}) instrument.

The mildly active nuclear region in the galaxy M81 (henceforth, M81‹) is one of the nearest low-luminosity active galactic nuclei (LLAGN) whose structure is marginally resolved when probed with Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Motivated by the way resolved radio sources usually appear on the smallest scales, i.e., a core with a one- sided jet structure, we developed a strictly one-sided, asymmetric triangular model, which we call ASYM, with brightness distribution along a line segment on the sky, with maximum brightness at one end of the segment fading linearly to zero at the other end. The ASYM model is compared and contrasted with an elliptical Gaussian model (hereafter, GAUS), by fitting existing VLBI data of M81‹ at 39 epochs between 1993 and 2003 at 8.4 and 5.0 GHz with the two models. Contrary to what we envisioned, we find that for 77% of our epochs, a simple GAUS model fits the visibility data of M81‹ at 8.4 GHz better (i.e., has a lower reduced 2) than the ASYM model. We conclude that M81‹ is not strictly a one-sided, asymmetric jetted source; as is thought to be the case for the majority of AGN observed at VLBI scales. Our results imply that M81‹ is mostly symmetrical with a significant jet counterpart which cannot be overlooked. / School of Interdisciplinary Research and Graduate Studies (SIRGS) / M. Sc. (Astronomy)