Large-scale structure studies using AGN in X-ray surveys - Challenges from XBOOTES and prospects for eROSITA Alexander Kolodzig Mu(cid:127)nchen 2015 Large-scale structure studies using AGN in X-ray surveys - Challenges from XBOOTES and prospects for eROSITA Alexander Kolodzig Dissertation an der Physik der Ludwig{Maximilians{Universit(cid:127)at Mu(cid:127)nchen vorgelegt von Alexander Kolodzig aus Berlin Mu(cid:127)nchen, den 17.03.2015 Erstgutachter: Prof. Rashid Sunyaev Zweitgutachter: Prof. Werner Becker Tag der mu(cid:127)ndlichen Pru(cid:127)fung: 13.04.2015 Die Vermessung des Universums mit aktiven galaktischen Kernen aus R(cid:127)ontgen-Himmelsdurchmusterungen Herausforderungen von XBOOTES und Perspektiven fu(cid:127)r eROSITA von Alexander Kolodzig Zusammenfassung Gro(cid:25)(cid:13)(cid:127)achige R(cid:127)ontgen-Himmelsdurchmusterungen sind von gro(cid:25)er Bedeutung fu(cid:127)r die Bestimmung gro(cid:25)skaliger Strukturen im Universum. Aktuelle wissenschaftliche Er- kenntnisse u(cid:127)ber diese Strukturen k(cid:127)onnen mit Hilfe von aktiven galaktischen Kernen (engl. \active galactic nuclei", AGN) einerseits durch die Durchfu(cid:127)hrung von gr(cid:127)o(cid:25)eren und tieferen R(cid:127)ontgen-Beobachtungen und andererseits durch die Untersuchung der Intensit(cid:127)ats(cid:13)uktuationen (engl. \surface brightness (cid:13)uctuations") der unaufgel(cid:127)osten kosmischen R(cid:127)ontgenhintergrundstrahlung (engl. \cosmic X-ray background", CXB) verbessert werden. In dem ersten Teil der vorliegenden Dissertation haben wir den m(cid:127)oglichen wis- senschaftlichen Erkenntnisgewinn durch die Untersuchung der gro(cid:25)skaligen Struk- turen unter der Verwendung von allen detektierbaren AGN in der zuku(cid:127)nftigen, vollst(cid:127)andigen R(cid:127)ontgen-Himmelsdurchmusterung von eROSITA (engl. \eROSITA all- sky survey", eRASS) quanti(cid:12)ziert. Wir k(cid:127)onnen zeigen, dass eRASS circa drei Millio- nen AGN im Energieband 0:5 (cid:0) 2:0 keV detektieren wird. Daraus ergibt sich, dass eRASSimVergleichzurvorhergehendenHimmelsdurchmusterungvonROSAT(engl. \ROSAT all-sky survey", RASS) einen (cid:24) 30 mal gr(cid:127)o(cid:25)eren AGN Datensatz haben wird,weilesObjektemiteinem(cid:24) 30malschw(cid:127)acherenR(cid:127)ontgen(cid:13)ussdetektierenwird. Desweiteren zeigen wir auf, dass dieser einzigartige AGN Datensatz eine mittlere Leuchtkraft (Median) von (cid:24) 1044erg s(cid:0)1 haben wird, welche charakteristisch fu(cid:127)r die gesamte AGN-Population im betrachteten Energieband ist. Wir prognostizieren fu(cid:127)r den Datensatz eine mittlere Rotverschiebung (Median) von z (cid:25) 1. Etwa 40% dieser AGNbe(cid:12)ndensichindemRotverschiebungsintervallvonz = 1(cid:0)2,indemdergr(cid:127)o(cid:25)te Teil der R(cid:127)ontgenstrahlung von AGN erzeugt wird. Voraussichtlich 104(cid:0)105 der AGN werden eine Rotverschiebungen von z ≳ 3 haben und 2000 (cid:0) 30000 u(cid:127)berschreiten die Rotverschiebung von z = 4, worunter sich auch voraussichtlich einige der kos- mologisch ju(cid:127)ngsten AGN be(cid:12)nden. Wir demonstrieren in dieser Arbeit, dass dieser vi Zusammenfassung AGN Datensatz mit seinen einzigartigen Eigenschaften unseren Kenntnisstand u(cid:127)ber die r(cid:127)aumliche Dichte von AGN als Funktion von Rotverschiebung und Leuchtkraft u(cid:127)ber eine weite kosmologische Zeitspanne stark verbessern kann. Desweiteren zeigen wir auf, dass dieser Datensatz uns eine detaillierte Studie der r(cid:127)aumliche Korrelation zwischen der Dunklen Materie (engl. \Dark Matter", DM) und AGN erm(cid:127)oglicht, weil wir zum ersten Mal relativ kleine Intervalle fu(cid:127)r die Rotverschiebung und Leuchtkraft bilden k(cid:127)onnen. Die resultierenden Ergebnisse werden unseren Erkenntnisstand u(cid:127)ber dasWachstumsupermassereicherschwarzeL(cid:127)ocheru(cid:127)bereinenbreitenkosmologischen Zeitraum und deren Auswirkungen auf die Galaxienevolution wesentlich verbessern. Wir zeigen zum erstem Mal auf, dass bedingt durch die Gr(cid:127)o(cid:25)e und Tiefe von eRASS, der AGN Datensatz mit Hilfe der Detektierung von baryonischen akustischen Oszil- lationen (engl. \baryon acoustic oscillations", BAOs) als ein kosmologisches Lineal genutzt werden kann. Es wird m(cid:127)oglich sein, BAOs mit hoher statistischer Signi(cid:12)kanz im bisher nicht vermessenen Rotverschiebungsbereich von z (cid:24) 1 (cid:0) 2 zu detektie- ren. Dies wird dazu beitragen die Parameter des kosmologischen Standardmodells genauer zu bestimmen. In dem zweiten Teil dieser Dissertation haben wir die bisher genaueste Messung der Intensit(cid:127)ats(cid:13)uktuationen des unaufgel(cid:127)osten CXB im Energieband 0:5 (cid:0) 2:0 keV fu(cid:127)rdieWinkelskalenvon≲ 17′ durchgefu(cid:127)hrt.Dafu(cid:127)rnutztenwirdieR(cid:127)ontgenbeobach- tungen vom XBOOTES-Feld, welches die derzeit gr(cid:127)o(cid:25)te zusammenh(cid:127)angende Him- melsdurchmusterungendesR(cid:127)ontgenteleskopsChandra darstellt.Wirstellenfest,dass fu(cid:127)r kleine Winkelskalen (≲ 2′) das gemessene Leistungsspektrum der CXB Intensi- t(cid:127)ats(cid:13)uktuationen weitestgehend im Einklang mit einem konventionellen AGN-Inten- sit(cid:127)ats(cid:13)uktuations-Modell ist, wenngleich wir eine Abweichung von 30% feststellen. Diese Abweichung kann allerdings auch als eine Herausforderung angesehen werden, um unseren bisherigen Kenntnisstand u(cid:127)ber die r(cid:127)aumliche Korrelation zwischen DM und unaufgel(cid:127)osten AGN zu erweitern und komplexere AGN-Intensit(cid:127)ats(cid:13)uktuations- Modelle mit unserer Messung zu testen. Fu(cid:127)r Winkelskalen von ≳ 2′ messen wir eine signi(cid:12)kante Abweichung von bis zu einer Gr(cid:127)o(cid:25)enordnung von dem beobachteten Leistungsspektrum im Vergleich zu dem AGN-Intensit(cid:127)ats(cid:13)uktuations-Modell. Wir veranschaulichen, dass eine instrumentelle Ursache ausgeschlossen werden kann und zeigen auf, dass diese starke Abweichung im beobachteten Leistungsspektrum mit keiner bekannten R(cid:127)ontgenquelle beschrieben werden kann. M(cid:127)oglicherweise ist mehr als eine R(cid:127)ontgenquelle fu(cid:127)r die starke Abweichung verantwortlich. Allerdings sollte die dominierende R(cid:127)ontgenquelle, welche die starke Abweichung verursacht, von ex- tragalaktischer Natur sein. Zum Abschluss geben wir Vorhersagen, in welcher Form eRASS die Studien des unaufgel(cid:127)osten CXB vorantreiben wird. Large-scale structure studies using AGN in X-ray surveys Challenges from XBOOTES and prospects for eROSITA by Alexander Kolodzig Abstract Large X-ray surveys are a powerful tool to study the large-scale structure (LSS) of the Universe. The scienti(cid:12)c impact of LSS studies using active galactic nuclei (AGN) in X-ray surveys can be signi(cid:12)cantly increased by conducting wider and deeper X- ray surveys and studying the surface brightness (cid:13)uctuations of the unresolved cosmic X-ray background (CXB). In the (cid:12)rst part of this Thesis, we have investigated the prospects of using the AGN sample to be detected by the upcoming eROSITA all-sky survey (eRASS) for LSS studies. We show that eRASS will detect about 3 million AGN in the 0:5(cid:0)2:0keV band. This will result in a (cid:24) 30 times larger number of sources and a (cid:24) 30 times better sensitivity than its (cid:24) 25 year old predecessor, the ROSAT all-sky survey (RASS). We show that this unprecedented AGN sample will have a median luminosity of (cid:24) 1044erg s(cid:0)1, which is typical for the entire AGN population in this energy band. It will have a median redshift of z (cid:25) 1 and approximately 40% of the objects will be in the redshift range of z = 1(cid:0)2, where the bulk of the X-ray emission of AGN is produced. About 104(cid:0)105 AGN are predicted to be beyond redshift z = 3 and about 2000(cid:0)30000 beyond z = 4, which will potentially include some of the earliest AGN in the Universe. We demonstrate that, given these unique properties, the eRASS-AGN sample will be able to signi(cid:12)cantly improve our current knowledge of the AGN spatial density as a function of redshift and luminosity over a wide range of cosmic time. Further, we show that it will enable us, for the (cid:12)rst time, to perform detailed redshift- and luminosity-resolved studies of the clustering strength of X-ray selected AGN. All these measurements will dramatically improve our understanding of the growth of supermassive black holes over cosmic time and its implications for galaxy evolution. We demonstrate for the (cid:12)rst time that, given the breadth and depth of eRASS, it will be possible to use AGN as a cosmological probe via baryon acoustic oscillation (BAO) measurements. We will be able to convincingly detect BAOs in the currently uncharted redshift range of z (cid:24) 1(cid:0)2, which will improve the constraints on the cosmological model. viii Abstract In the second part of this Thesis, we have conducted the most accurate measure- menttodateofthebrightness(cid:13)uctuationsoftheunresolvedCXBinthe0:5(cid:0)2:0keV band for angular scales of ≲ 17′. For this we used the XBOOTES survey, the cur- rently largest continuous survey of the X-ray telescope Chandra. We (cid:12)nd that on small angular scales (≲ 2′) the observed power spectrum of the brightness (cid:13)uctua- tions is broadly consistent with the conventional AGN clustering model, although with a 30% deviation. This deviation nevertheless presents a good opportunity to improve our understanding of clustering properties of unresolved AGN by testing more sophisticated clustering models with our measurement. For angular scales of ≳ 2′ we measure a signi(cid:12)cant excess with up to an order of magnitude di(cid:11)erence in comparison to the standard AGN clustering model. We demonstrate that an instru- mental origin can be excluded. However, we also show that the excess can neither be explained with any known X-ray source population by looking at strength of its clustering signal and the shape of its energy spectrum. It might be caused by more thanonetypeofsourcebutthedominantsourceappearstohaveextragalacticorigin. Finally, we make predictions on how eRASS will be able to advance the studies of the unresolved CXB. List of acronyms 2dFGRS Two Degree Field Galaxy Redshift Survey (optical survey) 2pCF 2-point correlation function 3D three-dimensional A10 Aird et al. (2010) (reference for the XLF of AGN in the 2:0(cid:0)10:0keV band) ACIS-I Detector of Chandra: 2(cid:2)2 array of four 1024(cid:2)1024 pixel CCDs of ACIS (Advanced CCD Imaging Spectrometer) AGN Active galactic nucleus/nuclei (Sect. 1.2) APEC Astrophysical Plasma Emission Code: Spectral model in XSPEC for a collisionally-ionized di(cid:11)use gas (e.g. Sect. 4.3.2) BAO Baryon acoustic oscillation (e.g. Sect. 1.6 & Sect. 3.4) BH Black hole BKG Background CDF Chandra deep (cid:12)eld (X-ray survey) CDFN CDF north (X-ray survey) CDFS CDF south (X-ray survey) ChaMP Chandra Multi-wavelengthProject(SerendipitousX-raySurveyusingChan- dra Archival Data) Chandra X-ray satellite (Sect. 1.4) x List of acronyms CIAO Chandra Interactive Analysis of Observations (software to analyze Chandra data) CL Con(cid:12)dence level CMB Cosmic microwave background COSMOS Cosmic Evolution Survey (2 deg2 multi-wavelength survey) CXB CosmicX-raybackground(Galacticandextragalacticemission,e.gChapter4) DE Dark energy DM Dark matter DMH Dark matter halo eBOSS Extended baryon oscillation spectroscopic survey (Optical galaxy survey to detected BAOs) eRASS eROSITA all-sky survey (X-ray survey, e.g. Sect. 1.5) eROSITA X-ray satellite (e.g. Sect. 1.4) FOV Field-of-view G08 Georgakakisetal.(2008)(referenceforthelogN(cid:0)logS ofX-raypointsources) H05 Hasinger et al. (2005) (reference for the XLF of AGN in the 0:5(cid:0)2:0keV band) H06 Hickox & Markevitch (2006) Hard band 2:0(cid:0)10:0keV (energy band) HEW Half-energy width, alias half-power diameter (HPD) [arcsec] HOD Halo occupation distribution IGM Intergalactic medium IR Infrared (wavelengths/energy-band) ISM Interstellar medium ICM Intracluster medium