An XMM­Newton study of Hyper­Luminous Infrared GalaxiesA. Ruiz, F.J. Carrera, F. Panessa ­ IFCA (CSIC­UC)

Hyper­Luminous  Infrared Galaxies  (HLIRGs) are  the most  luminous objects  in  the Universe. They exhibit extremely high star  formation  rates, and most of  them seem also to harbour an AGN. X­ray studies of HLIRGs have the potential to unravel the AGN contribution to the bolometric output from these bright objects. We have selected a sample of HLIRGs with public observations in the XMM­Newton archive. This is the first time that a systematic study of this type of objects is carried out in this spectral band. Their X­ray spectra are characterized by the presence of a power­law continuum, associated to the AGN, and, in a few cases, a thermal component probably associated  to  the starburst  (SB). We have  looked up  for  relationship between  the X­ray and  far­IR  (8­1000  m)  luminosities. We  find most HLIRGs are “mixed” sources: their X­ray luminosities are too high to be produced by a SB, and their IR luminosities are too high to be produced by an AGN. Only two objects show X­ray thermal emission. This could be explained, in some cases, by Compton thick obscuration. The X­ray to IR luminosity ratio is constant with redshift, indicating that their respective power sources could be physically related.

IRAS 00182­7112 

IRAS 09104+4109

IRAS 12514+1027

IRAS F14218+3845

IRAS F15307+3252

PG1206+459

Source Type z Γ S(0.5­10 keV)

IRAS 18216+6418 Sy1 0.297 1.43±0.08 0.44±0.06 ­ ­10.7 45.5 45.1 46.76IRAS 00182­7112 Sy2 0.327 ­ ­13 42.0 ­ 46.58IRAS 09104+4109 Sy2 0.442 1.66±0.07 ­ ­11.7 44.5 ­ 46.84IRAS 12514+1027 Sy2 0.3 ­ ­13.7 43.7 42.1 46.36IRAS F14218+3845 QSO 1.210 ­ ­ ­13 44.6 ­ 47.92IRAS F15307+3252 Sy2 0.926 ­ ­ ­13.6 43.7 ­ 47.31PG 1206+459 QSO 1.158 ­ ­ ­12.6 45.1 ­ 47.85

Stb 0.575 2 ­ ­ ­ 44.3 42.4 47.12

kT  / keV EW / keV log(Lpo) log(Lth) log(LIR)

2.0+1.1­2.3 2.3+3.1

­0.8

0.7+0.2­0.3

1.8+0.8­4.7 0.34+0.21

­0.08

2.24±0.122.1±0.41.7±0.9

IRAS F00235+1024 (1)

X­ray  luminosity (2­10 keV) of  the power­law component versus the IR luminosity (8­1000m) computed using IRAS fluxes (Perault 1987). The top grey area (“AGN zone”) indicates the IR luminosity expected (at 90% of confidence) for an AGN with the corresponding X­ray luminosity (Elvis  et  al.  1994).  The  bottom  grey  area  (“Starburst  zone”)  indicates  the  X­ray  luminosity expected  for a starburst with  the corresponding  IR  luminosity  (Persic et al. 2004, Kennicutt 1998).✔ We  find  no  clear  correlation  for  HLIRGs,  but  they  seem  to  follow  the  same 

tendency as AGN­dominated ULIRGs.

✔ Most  of  HLIRGs  and  all  AGN­dominated  ULIRGs  are  “mixed”  sources: their X­ray luminosities are too high for a SB, and their IR luminosities are too high for an AGN.

✔ IRAS  18216+6418  is  the  only  source  that  clearly  shows  AGN­dominated properties.  Compton  thick  obscuration  could  move  up  some  HLIRGs  from “mixed zone” to “AGN zone”.

Top: SFR corresponding to HLIRG IR luminosity (Kennicutt 1998), after the subtraction of the AGN  contribution  (Elvis  et  al.  1994)  to  the  emission,  versus  redshift.  The  dotted  line represents the SFR limit for HLIRGs (L

IR >1013L

⊙). The solid line is the SFR for a source with 

IRAS fluxes equals to the completeness limits of the IRAS catalogue (0.5 Jy in 12, 25 and 60 m,  1.5  Jy    in  100m).  Bottom:  ratio  of  2­10  keV  XR  luminosity  to  IR  luminosity  versus redshift.

● HLIRGs (LIR

 >1013L⊙) are strong candidates for being primeval galaxies (Rowan­Robinson 2000), in the process of a major episode of star formation. As they represent the 

most vigorous stage of galaxy formation, they are a unique laboratorie to investigate extremely high star formation and its conection to supermassive black hole growth.● Objectives:

● Determining which is the relative contribution of SFR and AGN emission to the bolometric luminosity and their interplay.● Does the SB and AGN contributions change with cosmic time? What can we learn from HLIRGs about galaxy formation?● Which is their relation with the IR lower luminosity version, Ultra Luminous Infrared Galaxies (ULIRGs)?

● Sample: HLIRGs with redshift between 0.3 and 1.5 with public data in XMM­Newton archive. We use the ULIRGs sample from Franceschini et al. 2003 to compare results.

X­ray luminosity (0.5­10 keV) of the thermal component versus X­ray luminosity (2­10 keV) of the power­law component. Dotted line is a correlation obtained by Franceschini et al. (2004) for starburst­dominated ULIRGs.

✔ Only two HLIRGs present intrinsic thermal emission, while in all ULIRGs  a  thermal  component  have  been  observed:  may   Compton thick obscuration be the cause of the absence of X­ray thermal emission in some objects?

✔ At  odds,  IRAS  18216+6418,  whose  emission  is  clearly  AGN­dominated,  follow  the  same  correlation  as  starburst­dominated ULIRGs (Franceschini et al. 2004).

XMM­NewtonXMM­NewtonHLIRGs spectraHLIRGs spectra

X­ray PL vs Far Infrared: Starburst or AGN?X­ray PL vs Far Infrared: Starburst or AGN?

Redshift evolution?Redshift evolution?

X­ray thermal vs PL: Where's thermal emission?X­ray thermal vs PL: Where's thermal emission?

HLIRGs data and XMM­Newton spectral analysisHLIRGs data and XMM­Newton spectral analysis

●(1) X­ray luminosities are upper limits from Wilman et al. 2003.              [All fluxes are in erg s­1 cm­2 and luminosities in erg s­1] 

O   HLIRG   Obscured HLIRG✕   AGN­dominated ULIRG✩   SB­dominated ULIRG 

Starburst

✔ An increment of SFR with redshift is observed, however this could be du to a selection effect.

✔ The ratio of hard XR to IR luminosity remains constant with z, suggesting that AGN and SB are physically conected at least below z~1.5.

✔ We need a sample at higher z to check this issue.

IRAS 18216+6418