Spitzer IRAC selection is a powerful tool for identifying luminous AGN. For deep IRAC data, however, the AGN selection wedges currently in use are heavily contaminated by star-forming galaxies, especially at high redshift. Using the large samples of luminous AGN and high-redshift star-forming galaxies in COSMOS, we redefine the AGN selection criteria for use in deep IRAC surveys. The new IRAC criteria are designed to be both highly complete and reliable, and incorporate the best aspects of the current AGN selection wedges and of infrared power-law selection while excluding high redshift star-forming galaxies selected via the BzK, DRG, LBG, and SMG criteria. At QSO-luminosities of log L(2-10 keV) (ergs/s) > 44, the new IRAC criteria recover 75% of the hard X-ray and IRAC-detected XMM-COSMOS sample, yet only 38% of the IRAC AGN candidates have X-ray counterparts, a fraction that rises to 52% in regions with Chandra exposures of 50-160 ks. X-ray stacking of the individually X-ray non-detected AGN candidates leads to a hard X-ray signal indicative of heavily obscured to mildly Compton-thick obscuration (log N_H (cm^-2) = 23.5 +/- 0.4). While IRAC selection recovers a substantial fraction of luminous unobscured and obscured AGN, it is incomplete to low-luminosity and host-dominated AGN.

The COSMOS-Legacy survey is a 4.6 Ms Chandra program that has imaged 2.2 deg$^2$ of the COSMOS field with an effective exposure of $\simeq$160 ks over the central 1.5 deg$^2$ and of $\simeq$80 ks in the remaining area. The survey is the combination of 56 new observations, obtained as an X-ray Visionary Project, with the previous C-COSMOS survey. We describe the reduction and analysis of the new observations and the properties of 2273 point sources detected above a spurious probability of 2$\times 10^{-5}$. We also present the updated properties of the C-COSMOS sources detected in the new data. The whole survey includes 4016 point sources (3814, 2920 and 2440 in the full, soft and hard band). The limiting depths are 2.2 $\times$ 10$^{-16}$, 1.5 $\times$ 10$^{-15}$ and 8.9$\times$ 10$^{-16}$ ${\rm erg~cm}^{-2}~{\rm s}^{-1}$ in the 0.5-2, 2-10 and 0.5-10 keV bands, respectively. The observed fraction of obscured AGN with column density $> 10^{22}$ cm$^{-2}$ from the hardness ratio (HR) is $\sim$50$^{+17}_{-16}$%. Given the large sample, we compute source number counts in the hard and soft bands, significantly reducing the uncertainties of 5-10%. For the first time, we compute number counts for obscured (HR$>$-0.2) and unobscured (HR$<$-0.2) sources and find significant differences between the two populations in the soft band. Due to the un-precedent large exposure, COSMOS-Legacy area is 3 times larger than surveys at similar depth and its depth is 3 times fainter than surveys covering similar area. The area-flux region occupied by COSMOS-Legacy is likely to remain unsurpassed for years to come.

The Chandra COSMOS Survey (C-COSMOS) is a large, 1.8 Ms, Chandra} program that has imaged the central 0.5 sq.deg of the COSMOS field (centered at 10h, +02deg) with an effective exposure of ~160ksec, and an outer 0.4sq.deg. area with an effective exposure of ~80ksec. The limiting source detection depths are 1.9e-16 erg cm(-2) s(-1) in the Soft (0.5-2 keV) band, 7.3e(-16) erg cm^-2 s^-1 in the Hard (2-10 keV) band, and 5.7e(-16) erg cm(-2) s(-1) in the Full (0.5-10 keV) band. Here we describe the strategy, design and execution of the C-COSMOS survey, and present the catalog of 1761 point sources detected at a probability of being spurious of <2e(-5) (1655 in the Full, 1340 in the Soft, and 1017 in the Hard bands). By using a grid of 36 heavily (~50%) overlapping pointing positions with the ACIS-I imager, a remarkably uniform (to 12%) exposure across the inner 0.5 sq.deg field was obtained, leading to a sharply defined lower flux limit. The widely different PSFs obtained in each exposure at each point in the field required a novel source detection method, because of the overlapping tiling strategy, which is described in a companion paper. (Puccetti et al. Paper II). This method produced reliable sources down to a 7-12 counts, as verified by the resulting logN-logS curve, with sub-arcsecond positions, enabling optical and infrared identifications of virtually all sources, as reported in a second companion paper (Civano et al. Paper III). The full catalog is described here in detail, and is available on-line.

What is the relevance of major mergers and interactions as triggering mechanisms for active galactic nuclei (AGNs) activity? To answer this long-standing question, we analyze 140 XMM-Newton-selected AGN host galaxies and a matched control sample of 1264 inactive galaxies over z ∼ 0.3–1.0 and M* < 1011.7 M☉ with high-resolution Hubble Space Telescope/Advanced Camera for Surveys imaging from the COSMOS field. The visual analysis of their morphologies by 10 independent human classifiers yields a measure of the fraction of distorted morphologies in the AGN and control samples, i.e., quantifying the signature of recent mergers which might potentially be responsible for fueling/triggering the AGN. We find that (1) the vast majority (>85%) of the AGN host galaxies do not show strong distortions and (2) there is no significant difference in the distortion fractions between active and inactive galaxies. Our findings provide the best direct evidence that, since z ∼ 1, the bulk of black hole (BH) accretion has not been triggered by major galaxy mergers, therefore arguing that the alternative mechanisms, i.e., internal secular processes and minor interactions, are the leading triggers for the episodes of major BH growth. We also exclude an alternative interpretation of our results: a substantial time lag between merging and the observability of the AGN phase could wash out the most significant merging signatures, explaining the lack of enhancement of strong distortions on the AGN hosts. We show that this alternative scenario is unlikely due to (1) recent major mergers being ruled out for the majority of sources due to the high fraction of disk-hosted AGNs, (2) the lack of a significant X-ray signal in merging inactive galaxies as a signature of a potential buried AGN, and (3) the low levels of soft X-ray obscuration for AGNs hosted by interacting galaxies, in contrast to model predictions.

We report on the measurement of the physical properties (rest-frame K-band luminosity and total stellar mass) of the hosts of 89 broad-line (type-1) active galactic nuclei (AGNs) detected in the zCOSMOS survey in the redshift range 1 < z < 2.2. The unprecedented multi-wavelength coverage of the survey field allows us to disentangle the emission of the host galaxy from that of the nuclear black hole in their spectral energy distributions (SEDs). We derive an estimate of black hole masses through the analysis of the broad Mg ii emission lines observed in the medium-resolution spectra taken with VIMOS/VLT as part of the zCOSMOS project. We found that, as compared to the local value, the average black hole to host-galaxy mass ratio appears to evolve positively with redshift, with a best-fit evolution of the form , where the large asymmetric systematic errors stem from the uncertainties in the choice of initial mass function, in the calibration of the virial relation used to estimate BH masses and in the mean QSO SED adopted. On the other hand, if we consider the observed rest-frame K-band luminosity, objects tend to be brighter, for a given black hole mass, than those on the local MBH–MK relation. This fact, together with more indirect evidence from the SED fitting itself, suggests that the AGN hosts are likely actively star-forming galaxies. A thorough analysis of observational biases induced by intrinsic scatter in the scaling relations reinforces the conclusion that an evolution of the MBH–M* relation must ensue for actively growing black holes at early times: either its overall normalization, or its intrinsic scatter (or both) appear to increase with redshift. This can be interpreted as signature of either a more rapid growth of supermassive black holes at high redshift, a change of structural properties of AGN hosts at earlier times, or a significant mismatch between the typical growth times of nuclear black holes and host galaxies. In any case, our results provide important clues on the nature of the early co-evolution of black holes and galaxies and challenging tests for models of AGN feedback and self-regulated growth of structures.

We report the final optical identifications of the medium-depth (∼60 ks), contiguous (2 deg2) XMM-Newton survey of the COSMOS field. XMM-Newton has detected ∼1800 X-ray sources down to limiting fluxes of ∼5 × 10−16, ∼3 × 10−15, and ∼7 × 10−15 erg cm−2 s−1 in the 0.5–2 keV, 2–10 keV, and 5–10 keV bands, respectively (∼1 × 10−15, ∼6 × 10−15, and ∼1 × 10−14 erg cm−2 s−1, in the three bands, respectively, over 50% of the area). The work is complemented by an extensive collection of multiwavelength data from 24 μm to UV, available from the COSMOS survey, for each of the X-ray sources, including spectroscopic redshifts for ≳50% of the sample, and high-quality photometric redshifts for the rest. The XMM and multiwavelength flux limits are well matched: 1760 (98%) of the X-ray sources have optical counterparts, 1711 (∼95%) have IRAC counterparts, and 1394 (∼78%) have MIPS 24 μm detections. Thanks to the redshift completeness (almost 100%) we were able to constrain the high-luminosity tail of the X-ray luminosity function confirming that the peak of the number density of log LX > 44.5 active galactic nuclei (AGNs) is at z ∼ 2. Spectroscopically identified obscured and unobscured AGNs, as well as normal and star-forming galaxies, present well-defined optical and infrared properties. We devised a robust method to identify a sample of ∼150 high-redshift (z > 1), obscured AGN candidates for which optical spectroscopy is not available. We were able to determine that the fraction of the obscured AGN population at the highest (LX > 1044 erg s−1) X-ray luminosity is ∼15%–30% when selection effects are taken into account, providing an important observational constraint for X-ray background synthesis. We studied in detail the optical spectrum and the overall spectral energy distribution of a prototypical Type 2 QSO, caught in a stage transitioning from being starburst dominated to AGN dominated, which was possible to isolate only thanks to the combination of X-ray and infrared observations.

We study the incidence of nuclear obscuration on a complete sample of 1310 active galactic nuclei (AGN) selected on the basis of their rest-frame 2–10 keV X-ray flux from the XMM-COSMOS survey, in the redshift range 0.3 < z < 3.5. We classify the AGN as obscured or unobscured on the basis of either the optical spectral properties and the overall SED or the shape of the X-ray spectrum. The two classifications agree in about 70 per cent of the objects, and the remaining 30 per cent can be further subdivided into two distinct classes: at low luminosities X-ray unobscured AGN do not always show signs of broad lines or blue/UV continuum emission in their optical spectra, most likely due to galaxy dilution effects; at high-luminosities broad-line AGN may have absorbed X-ray spectra, which hints at an increased incidence of small-scale (sub-parsec) dust-free obscuration. We confirm that the fraction of obscured AGN is a decreasing function of the intrinsic X-ray luminosity, while the incidence of absorption shows significant evolution only for the most luminous AGN, which appear to be more commonly obscured at higher redshift. We find no significant difference between the mean stellar masses and star formation rates of obscured and unobscured AGN hosts. We conclude that the physical state of the medium responsible for obscuration in AGN is complex and mainly determined by the radiation environment (nuclear luminosity) in a small region enclosed within the gravitational sphere of influence of the central black hole, but is largely insensitive to the wider scale galactic conditions.

We present the most up-to-date X-ray luminosity function (XLF) and absorption function of Active Galactic Nuclei (AGNs) over the redshift range from 0 to 5, utilizing the largest, highly complete sample ever available obtained from surveys performed with Swift/BAT, MAXI, ASCA, XMM-Newton, Chandra, and ROSAT. The combined sample, including that of the Subaru/XMM-Newton Deep Survey, consists of 4039 detections in the soft (0.5--2 keV) and/or hard ($>2$ keV) band. We utilize a maximum likelihood method to reproduce the count-rate versus redshift distribution for each survey, by taking into account the evolution of the absorbed fraction, the contribution from Compton-thick (CTK) AGNs, and broad band spectra of AGNs including reflection components from tori based on the luminosity and redshift dependent unified scheme. We find that the shape of the XLF at $z \sim 1-3$ is significantly different from that in the local universe, for which the luminosity dependent density evolution model gives much better description than the luminosity and density evolution model. These results establish the standard population synthesis model of the X-Ray Background (XRB), which well reproduces the source counts, the observed fractions of CTK AGNs, and the spectrum of the hard XRB. The number ratio of CTK AGNs to the absorbed Compton-thin (CTN) AGNs is constrained to be $\approx$0.5--1.6 to produce the 20--50 keV XRB intensity within present uncertainties, by assuming that they follow the same evolution as CTN AGNs. The growth history of supermassive black holes is discussed based on the new AGN bolometric luminosity function.

The Chandra COSMOS Survey (C-COSMOS) is a large, 1.8 Ms, Chandra program that has imaged the central 0.9 deg2 of the COSMOS field down to limiting depths of 1.9 × 10−16 erg cm−2 s−1 in the soft (0.5–2 keV) band, 7.3 × 10−16 erg cm−2 s−1 in the hard (2–10 keV) band, and 5.7 × 10−16 erg cm−2 s−1 in the full (0.5–10 keV) band. In this paper we report the i, K, and 3.6 μm identifications of the 1761 X-ray point sources. We use the likelihood ratio technique to derive the association of optical/infrared counterparts for 97% of the X-ray sources. For most of the remaining 3%, the presence of multiple counterparts or the faintness of the possible counterpart prevented a unique association. For only 10 X-ray sources we were not able to associate a counterpart, mostly due to the presence of a very bright field source close by. Only two sources are truly empty fields. The full catalog, including spectroscopic and photometric redshifts and classification described here in detail, is available online. Making use of the large number of X-ray sources, we update the "classic locus" of active galactic nuclei (AGNs) defined 20 years ago in soft X-ray surveys and define a new locus containing 90% of the AGNs in the survey with full-band luminosity >1042 erg s−1. We present the linear fit between the total i-band magnitude and the X-ray flux in the soft and hard bands, drawn over two orders of magnitude in X-ray flux, obtained using the combined C-COSMOS and XMM-COSMOS samples. We focus on the X-ray to optical flux ratio (X/O) and we test its known correlation with redshift and luminosity, and a recently introduced anti-correlation with the concentration index (C). We find a strong anti-correlation (though the dispersion is of the order of 0.5 dex) between X/O computed in the hard band and C and that 90% of the obscured AGNs in the sample with morphological information live in galaxies with regular morphology (bulgy and disky/spiral), suggesting that secular processes govern a significant fraction of the black hole growth at X-ray luminosities of 1043–1044.5 erg s−1. We also investigate the degree of obscuration of the sample using the hardness ratio, and we compare the X-ray color with the near-infrared to optical color.

ABSTRACT In this work, we present the results of a detailed X-ray spectral analysis of the brightest active galactic nuclei (AGNs) detected in the XMM–Newton 1.75 Ms Ultra Narrow Deep Field. We analysed 23 AGNs that have a luminosity range of $\sim 10^{42} {\!-\!} 10^{46}\, \rm {erg}\, \rm {s}^{-1}$ in the $2 {\!-\!} 10\, \rm {keV}$ energy band, redshifts up to 2.66, and $\sim 10\,000$ X-ray photon counts in the $0.3{ \!-\! }10\, \rm {keV}$ energy band. Our analysis confirms the ‘Iwasawa–Taniguchi effect,’ an anticorrelation between the X-ray luminosity ($L_x$) and the Fe–k$\alpha$ equivalent width (${\rm EW}_{\rm Fe}$) possibly associated with the decreasing of the torus covering factor as the AGN luminosity increases. We investigated the relationship among black hole mass ($M_{\rm BH}$), $L_x$, and X-ray variability, quantified by the Normalized Excess Variance ($\sigma ^2_{\rm rms}$). Our analysis suggest an anticorrelation in both $M_{\rm BH} - \sigma ^2_{\rm rms}$ and $L_x- \sigma ^2_{\rm rms}$ relations. The first is described as $\sigma ^2_{\rm rms} \propto M^{-0.26 \pm 0.05}_{\rm BH}$, while the second presents a similar trend with $\sigma ^2_{\rm rms} \propto L_{x}^{-0.31 \pm 0.04}$. These results support the idea that the luminosity–variability anticorrelation is a byproduct of an intrinsic relationship between the BH mass and the X-ray variability, through the size of the emitting region. Finally, we found a strong correlation among the Eddington ratio ($\lambda _{\rm Edd}$), the hard X-ray photon index ($\Gamma$), and the illumination factor $\log (A)$, which is related to the ratio between the number of Compton scattered photons and the number of seed photons. The $\log (\lambda _{\rm Edd})-\Gamma -\log (A)$ plane could arise naturally from the connection between the accretion flow and the hot corona.