Active galactic nuclei in the zwicky transient facility: studying the variability of quasars as a function of rest-frame wavelength

Abstract

Las luminosidades de un cuásar, junto con las de otros Núcleos Activos de Galaxias (AGNs), muestran fluctuaciones en su brillo a través de un amplio espectro, desde rayos X a frecuencias de radio, y en diversas escalas de tiempo, en un rango de unas horas a varios años. Por lo general, los cuásares cambian su emisión óptica y UV proveniente del el disco de acreción en alrededor de 10\%-20\% a lo largo de periodos que van desde varios meses a años. Aunque la exploración de la variabilidad ha sido crucial para la comprensión del centro compacto de los AGNs, la causa de estas fluctuaciones es incierta. El propósito principal de investigaciones previas ha sido la caracterización de los cambios de luminosidad de los cuásares e indagar acerca de su relación con propiedades fundamentales, tales como la masa de agujero negro, la tasa de acreción en relación al límite de Eddington y la longitud de onda en reposo (rest-frame). Sin embargo, la falta de muestras lo suficientemente grandes para obtener resultados estadísticamente robustos no ha permitido encontrar respuestas coherentes. Modelos estadísticos populares, tales como el Camino Aleatorio (o Damped Random Walk, DRW) han demostrado ser insuficiente para describir las características emergentes de la variabilidad observada, enfatizando la necesidad de modelos más complejos. Gracias al nuevo enfasis en el estudio temporal de fuentes astrofisicas, finalmente se ha vuelto posible determinar la dependencia de estos modelos de parámetros físicos, tales como masa de agujero negro, tasas de acreción y longitud de onda.

Abordar la brecha de estudios anteriores requiere un análisis robusto en diferentes escalas de tiempo y una evaluación rigurosa de los modelos teóricos con grandes conjuntos de datos. Solo de esta manera profundizaremos nuestra comprensión de la variabilidad de los AGNs y los mecanismos subyacentes. Esta tesis contribuye a esta exploración con el análisis de la variabilidad de los AGNs encontrados con el Zwicky Transient Facility (ZTF, Masci et al.~\citeyear{2019PASP..131a8003M}), y se enfoca en cómo esta depende de la longitud de onda en reposo (restframe wavelength).

El Capítulo~\ref{chap:chapter2} presenta técnicas y enfoques para examinar la variabilidad de los AGNs, centrándose específicamente en las dificultades causadas por muestreos irregulares, ruido estadístico y la naturaleza estocástica de las curvas de luz ópticas de los AGN. Este capítulo explora métodos para la extracción de información esencial desde una serie temporal de AGNs, usando el Filtro de Sombrero Mexicano para calcular desviación y generando curvas de luz sintéticas. Estos enfoques son la base para los análisis de los capítulos siguientes.

El Capítulo~\ref{chap:chapter3} explora la diferencia entre la variabilidad de los AGNs y longitud de onda en reposo usando la base de datos de la Zwicky Transient Facility. Este análisis examina curvas de luz de las bandas $g$ y $r$ de casi 5.000 cuásares, revelando una marcada relación inversa entre la desviación estandard y la longitud de onda en reposo, la cual es más pronunciada en escalas de tiempo más cortas. Al introducir un análisis espectral incluimos no solo la contribución de la emisión de continuo a nuestras estimaciones de la desviación estandard, pero también del pseudo-continuo de Balmer y Fe II y líneas de emisión.

El Capítulo~\ref{chap:chapter4} se centra en la aplicación del modelo CHAR (Corona-Heated Accretion Disk) para interpretar la relación desviación estandard--longitud de onda observada. A través de la comparación de datos empíricos con las predicciones del modelo CHAR, evaluamos la capacidad del modelo para replicar el espectro de desviación estandard en diferentes escalas de tiempo. Este estudio comparativo demuestra que el modelo CHAR se acerca en gran medida a los patrones observados, particularmente en la predicción de cómo la desviación estandard varia junto con la longitud de onda. Este capítulo destaca el potencial del modelo CHAR para explicar las variaciones de temperatura dentro del disco de acreción.

Quasar luminosities, along with those of other Active Galactic Nuclei (AGNs), show brightness fluctuations across a broad spectrum, from X-ray to radio frequencies, and over diverse time scales, ranging from a few hours to multiple years. Typically, quasars change in their UV-optical continuum emission from the accretion disk by about 10%-20% over periods spanning from several months to years. While exploring variability has proven crucial for understanding the compact core in AGNs, the precise cause of these fluctuations remains uncertain. Prior research largely aimed to characterize changes in quasar luminosity and look for its link to fundamental properties, including black hole mass, the rate of accretion relative to the Eddington limit, and the rest-frame wavelength. However, the lack of samples large enough to obtain statistically robust results had prevented in the past the finding of full and coherent answers. Popular existing statistical model descriptions, such as the Damped Random Walk (DRW), are now shown to fall short of fully describing the emerging characteristics of the observed variability, underscoring the need for more complex models. Besides, determining the dependency of these models on physical parameters such as black hole mass, accretion rates and wavelength is finally becoming possible thanks to the advent of a time-domain approach to the study of sources. Addressing the gaps of previous studies requires a robust analysis across different timescales and rigorously testing theoretical models against large datasets. Only in this way we will deepen our understanding of AGN variability and the underlying mechanisms. In this thesis, I contribute to this exploration with the analysis of variability for AGN found in the Zwicky Transient Facility (ZTF, Masci et al. 2019), focusing on how it depends on rest-frame wavelength. In Chapter 2, I present techniques and approaches for examining AGN variability, specifically focusing on the difficulties caused by irregular sampling, noise, and the stochastic nature of AGN optical light curves. The chapter explores methods for extracting essential information from AGN time series, using the Mexican Hat filter method to calculate variance, and generating synthetic light curves. These approaches serve as the foundation for the analyses in the following chapters. In the Chapter 3, we explore the relationship between AGN variability and rest-frame wavelength using the Zwicky Transient Facility data set. This analysis examines light curves from the g and r bands of nearly 5000 quasars, revealing a pronounced inverse relationship between variance and rest-frame wavelength, an effect that becomes more pronounced at shorter timescales. By introducing a spectral analysis we include not only the contribution of the continuum emission to our variance estimations but also Balmer and Fe II pseudocontinuum, and emission lines. In the Chapter 4, we focus on the application of the Corona-heated Accretion-disk (CHAR) model to interpret the observed variance-wavelength relationship of AGNs. By comparing the empirical data with predictions from the CHAR model, we assess the model capacity to replicate the variance spectrum across different timescales. This comparative study demonstrates that the CHAR model closely matches the observed patterns, particularly in predicting how variance changes with wavelength. This chapter underscores the potential of the CHAR model in explaining temperature variations within the accretion disk.