X-ray analysis and spectral characterization of the high redshift quasar PSO J0309+27 from chandra deep observations

Quasars are among the most luminous and energetic phenomena in the Universe, powered by accretion of matter onto a central supermassive black hole located at the heart of their host galaxies. They are fundamental probes of cosmic evolution, offering insights into black hole growth and galaxy co-evolution across different epochs. A defining feature of a subset of quasars is the presence of relativistic jets: collimated outflows of magnetized plasma moving at speeds close to that of light, observable across the entire electromagnetic spectrum. Within this framework, the quasar PSO J0309+27 represents an outstanding case, hosting the most luminous and extended resolved relativistic jet known at redshift z = 6.1, less than one billion years after the Big Bang. Its discovery provides a unique opportunity to investigate not only the connection between supermassive black hole accretion and jet launching in the early Universe, but also the interaction of relativistic outflows with their surrounding environment. In this work, an unprecedented 360 ksec of deep Chandra observations is exploited to deliver the most detailed X-ray and spectral characterization of this exceptional source to date. The thesis is structured around several interconnected goals. First, a high-resolution X-ray image of the source is reconstructed and analyzed through radial brightness profiles, enabling a direct morphological comparison with multiwavelength data and a robust assessment of the extended jet emission. Second, spatially resolved spectroscopy is performed on both the core and the jet components, disentangling their spectral properties. Third, the broadband spectral energy distribution of the jet is modeled, with particular emphasis on Hotspot B: its compactness and morphological consistency make it a suitable region for studying the emission mechanisms, in contrast to the complexity of the full jet structure. Beyond the observational analysis, the thesis explores forward-looking perspectives by simulating PSO J0309+27 as it would be observed with AXIS (Advanced X-ray Imaging Satellite), a next-generation mission currently under study in its Phase A stage. With its unprecedented sensitivity and sub-arcsecond resolution, AXIS could greatly enhance the characterization of high-redshift quasar. These findings provide new insights into the physics of relativistic jets in the early Universe and demonstrate how next-generation facilities will be essential to unveil the mechanisms driving the growth of the first supermassive black holes.

I quasar sono tra i fenomeni più luminosi ed energetici dell’Universo, alimentati dall'accrescimento di materia da parte di un buco nero supermassiccio situato al centro della galassia. Costituiscono strumenti fondamentali per studiare l’evoluzione cosmica, offrendo informazioni sulla crescita dei buchi neri supermassicci e sulla co-evoluzione delle galassie in epoche differenti. Una caratteristica distintiva di una sottopopolazione di quasar è la presenza di getti relativistici: flussi collimati di plasma magnetizzato che si muovono a velocità prossime a quella della luce e osservabili lungo l’intero spettro elettromagnetico. In questo contesto, il quasar PSO J0309+27 rappresenta un caso eccezionale, ospitando il getto relativistico risolto ad ora più luminoso ed esteso a redshift z = 6.1, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. La sua scoperta offre un’opportunità unica per studiare non solo il legame tra l’accrescimento del buco nero supermassiccio e il lancio dei getti nell’Universo primordiale, ma anche l’interazione dei flussi relativistici con l’ambiente circostante. In questo lavoro vengono utilizzati dati del Chandra X-ray Observatory, per un’esposizione complessiva di 360 ksec, al fine di fornire la caratterizzazione più dettagliata finora ottenuta in banda X di questa sorgente straordinaria. La tesi si articola su diversi obiettivi interconnessi. In primo luogo, è stata ricostruita un’immagine X ad alta risoluzione della sorgente e analizzata tramite profili di brillanza radiali, permettendo un confronto morfologico diretto con dati a più lunghezze d’onda e una valutazione dettagliata dell’emissione estesa del getto. In secondo luogo, è stata condotta un'analisi spettroscopica, sia del nucleo che delle componenti del getto, separandone le proprietà. In terzo luogo, è stata modellata la Spectral Energy Distribution (SED) del getto, con particolare attenzione all'Hotspot B, la cui compattezza e coerenza morfologica ne fanno una regione ideale per studiare i meccanismi di emissione, in contrasto con la complessità dell’intera struttura del getto. Oltre all’analisi osservativa, la tesi esplora prospettive future attraverso simulazioni di PSO J0309+27 così come verrebbe osservato con AXIS (Advanced X-ray Imaging Satellite), una missione di nuova generazione attualmente in Phase A. Grazie alla sua sensibilità senza precedenti e alla risoluzione sub-arcosecondo, AXIS potrebbe migliorare significativamente la caratterizzazione dei quasar ad alto redshift. Questi risultati offrono nuove intuizioni sulla fisica dei getti relativistici nell’Universo primordiale e dimostrano come le strutture osservative di prossima generazione saranno essenziali per rivelare i meccanismi alla base della crescita dei primi buchi neri supermassicci.