[論文レビュー] A deep X-ray view of the bare AGN Ark120. IV. XMM-Newton and NuSTAR spectra dominated by two temperature (warm, hot) Comptonization processes

D. Porquet, J. N. Reeves+17 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Jul 27, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 83被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、遮蔽がほとんどない「裸」AGNであるArk 120のXMM-NewtonとNuSTARによる深さのあるX線観測を分析し、そのX線スペクトルが二つの異なるコンプトン化成分によって最もよく説明されることを明らかにした。すなわち、軟らかく光学的厚さの高いコロナ（kTₑ ≈ 0.5 keV、τ ≈ 9）が軟らかくX線過剰を生じさせ、一方で高温で光学的薄いコロナ（kTₑ ≈ 100 keV）が硬いX線連続スペクトルを支配している。広帯域Fe Kαラインとやや弱いコンプトンヘイプは、数個の重力半径の距離に位置するディスクからの相対論的反射に起因し、反射率（ℛ ≈ 0.3）が低いため、コロナがディスクを部分的に覆っていることが示唆される。

ABSTRACT

We perform an X-ray spectral analysis of the brightest and cleanest bare AGN known so far, Ark 120, in order to determine the process(es) at work in the vicinity of the SMBH. We present spectral analysis of data from an extensive campaign observing Ark 120 in X-rays with XMM-Newton (4$ imes$120 ks, 2014 March 18-24), and NuSTAR (65.5 ks, 2014 March 22). During this very deep X-ray campaign, the source was caught in a high flux state similar to the earlier 2003 XMM-Newton observation, and about twice as bright as the lower-flux observation in 2013. The spectral analysis confirms the "softer when brighter" behaviour of Ark 120. The four XMM-Newton/pn spectra are characterized by the presence of a prominent soft X-ray excess and a significant FeK$α$ complex. The continuum is very similar above about 3 keV, while significant variability is present for the soft X-ray excess. We find that relativistic reflection from a constant-density, flat accretion disk cannot simultaneously produce the soft excess, broad FeK$α$ complex, and hard X-ray excess. Instead, Comptonization reproduces the broadband (0.3-79 keV) continuum well, together with a contribution from a mildly relativistic disk reflection spectrum. During this 2014 observational campaign, the soft X-ray spectrum of Ark 120 below $\sim$0.5 keV was found to be dominated by Comptonization of seed photons from the disk by a warm ($kT_{ m e}$$\sim$0.5 keV), optically-thick corona ($τ$$\sim$9). Above this energy, the X-ray spectrum becomes dominated by Comptonization from electrons in a hot optically thin corona, while the broad FeK$α$ line and the mild Compton hump result from reflection off the disk at several tens of gravitational radii.

研究の動機と目的

• 遮蔽がほとんどない珍しい『裸』AGNとしてのArk 120における軟らかくX線過剰と広帯域Fe Kαラインの物理的起源を特定すること。
• 0.3〜79 keVのX線連続スペクトルを形作るコンプトン化と相対論的反射の寄与を分離すること。
• コロナの幾何構造と光学的厚さが観測されたX線スペクトルおよび反射特徴に与える影響を調査すること。
• 2013年と2014年の間にコロナ構造が変化したかどうかを検証し、相対論的反射の検出可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 2014年3月のXMM-Newton（pn）480 ksおよびNuSTAR 65.5 ksの広帯域X線スペクトルをフィッティングした。
• 連続スペクトルを二成分のコンプトン化モデルでモデル化した：温かく光学的厚いコロナ（τ ≈ 9、kTₑ ≈ 0.5 keV）と高温で光学的薄いコロナ（kTₑ ≈ 100 keV）。
• 一定密度の平坦な降着ディスクからの相対論的にぼやけた反射成分を導入し、Fe Kα複合体とコンプトンヘイプを説明した。
• 反射率（ℛ）を用いてコロナの覆い方（カバーイングファクター）を推定し、反射の可視性に与える影響を評価した。
• 2014年の観測データと2013年の観測データを比較し、スペクトルの変動性およびコロナの幾何構造の変化を評価した。
• RGSスペクトルにおける吸収特徴を通じて温かい吸収体の存在を考慮し、Ark 120がAGN統一模型と整合していることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽がほとんどない『裸』の性質を持つArk 120において、軟らかくX線過剰を引き起こす物理的過程は何か？
• RQ2 コンプトン化のみでX線連続スペクトル全体を説明できるのか、それともFe Kα複合体と硬いX線過剰を説明するには相対論的反射が必要か？
• RQ3 コロナの幾何構造と光学的厚さが観測された反射スペクトルおよび相対論的特徴の検出可能性に与える影響は何か？
• RQ4 2013年と2014年の間で降着状態が類似しているにもかかわらず、なぜ2014年には広帯域Fe Kαラインが検出されたが2013年には検出されなかったのか？
• RQ5 低反射率（ℛ ≈ 0.3）は、コロナのカバーイングファクターや空間的構造にどのような意味を持つのか？

主な発見

• ~0.5 keV未満の軟らかくX線過剰は、kTₑ ≈ 0.5 keV、光学的厚さτ ≈ 9の温かく光学的厚いコロナによる、ディスクの種子光子のコンプトン化によって支配されている。
• ~0.5 keV以上の硬いX線連続スペクトルは、kTₑ ≈ 100 keVの高温で光学的薄いコロナによるコンプトン化で最もよくフィットされる。
• 広帯域Fe Kαラインとやや弱いコンプトンヘイプは、数個の重力半径の距離に位置するディスクからの相対論的にぼやけた反射成分によって再現される。
• 反射率ℛ ≈ 0.3は、コロナがディスクを部分的に覆っていることを示し、カバーイングファクタが~85%未満であることに一致する。
• 2014年の観測では相対論的反射が検出可能であったが、2013年には検出されなかったため、コロナの幾何構造またはカバーイングファクタが時間とともに変化した可能性がある。
• 強い吸収特徴が認められず、温かい吸収体が視線から外れていることから、Ark 120が統一模型に従う『裸』AGNとしての分類に一致することが確認された。