[論文レビュー] CAIXA: a catalogue of AGN in the XMM-Newton archive III. Excess Variance Analysis

G. Ponti, I. E. Papadakis+6 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Dec 12, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 93被引用数 113

ひとこと要約

本研究は、XMM-Newtonアーカイブに収録された161個の放射線が弱く、X線で遮蔽されていないAGNについて、最大規模の系統的過剰分散解析を実施し、X線の変動がブラックホール質量（M_BH）と強く相関しており、単一エポックの光学的手法よりも正確なM_BH推定に用いることができる、と示している。結果は、M_BHと降着率でスケーリングした際、AGNの変動が普遍的であることを確認しており、パワースペクトル密度の振幅はṁ^−0.8に比例し、すべての降着するブラックホールに共通の物理的エンジンが存在することを示唆している。

ABSTRACT

We report on the results of the first XMM systematic "excess variance" study of all the radio quiet, X-ray un-obscured AGN. The entire sample consist of 161 sources observed by XMM for more than 10 ks in pointed observations which is the largest sample used so far to study AGN X-ray variability on time scales less than a day. We compute the excess variance for all AGN, on different time-scales (10, 20, 40 and 80 ks) and in different energy bands (0.3-0.7, 0.7-2 and 2-10 keV). We observe a highly significant and tight (~0.7 dex) correlation between excess variance and MBH. The subsample of reverberation mapped AGN shows an even smaller scatter (~0.45 dex) comparable to the one induced by the MBH uncertainties. This implies that X-ray variability can be used as an accurate tool to measure MBH and this method is more accurate than the ones based on single epoch optical spectra. The excess variance vs. accretion rate dependence is weaker than expected based on the PSD break frequency scaling, suggesting that both the PSD high frequency break and the normalisation depend on accretion rate in such a way that they almost completely counterbalance each other. A highly significant correlation between excess variance and 2-10 keV spectral index is observed. Both the variability vs. LBol and FWHM_Hbeta correlations are consistent with being just by-products of the correlation with MBH. The soft and medium variability is very well correlated with the hard variability, suggesting that the additional soft components (i.e. soft excess, warm absorber) add a minor contribution to the total variability. Once the variability is rescaled for MBH and mdot, no significant difference between narrow-line and broad-line Seyfert 1 is observed. The results are in agreement with a picture where, to first approximation, all local AGN have the same variability properties once rescaled for MBH and accretion rate.

研究の動機と目的

• 広範なサンプルを用いてAGNにおけるX線変動の普遍的スケーリングを調査し、すべての降着するブラックホールが同じ根本的な変動エンジンを持つという仮説を検証すること。
• 過剰分散がブラックホール質量（M_BH）および降着率（ṁ）と相関するかどうかを特定し、既存の光学的手法よりも正確にM_BHを推定できるかどうかを検討すること。
• スペクトル成分（例：ソフト過剰、ウォーム吸収体）が全変動に与える寄与を検討し、線幅が狭いAGNと線幅が広いSeyfert 1型AGNとの違いを評価すること。
• 反射時間遅れ測定済みAGNとの比較により、M_BH–変動関係の頑健性を検証し、スペクトル指数および放射度依存性を分析すること。

提案手法

• 10、20、40、80 ksの複数の timescales および 0.3–0.7、0.7–2、2–10 keV のエネルギー帯域で、161個のAGNについて系統的に過剰分散（σ²_rms）を計算した。
• PSD正規化の代理として過剰分散を用い、M_BHおよび降着率（ṁ）とのスケーリングを推定した。関係式 σ²_rms ∝ PSD_amp を活用した。
• M_BHおよびṁによる補正を施し、残存する依存性をテストすることで、適切にスケーリングした際、変動が真に普遍的であるかどうかを同定した。
• σ²_rmsとスペクトル指数（Γ）、全放射度（L_Bol）、HβのFWHMを相関させ、これらがM_BHスケーリングの独立した駆動要因か、それとも副産物かを評価した。
• 線幅が狭いAGNと線幅が広いSeyfert 1型AGNとの間で結果を比較し、変動行動に本質的差異があるかどうかを検証した。
• 反響時間遅れ測定済みAGNサブサンプルを用い、M_BH–σ²_rms関係の妥当性を検証し、散らばりの程度と信頼性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNのX線光曲線における過剰分散は、ブラックホール質量（M_BH）と強く相関するか。また、これは信頼性の高いM_BH推定に用いることができるか。
• RQ2 変動の降着率（ṁ）依存性は、PSDの折りたたみ周波数スケーリングの理論的予想と比較してどうなるか。
• RQ3 σ²_rmsとスペクトル指数、L_Bol、またはHβのFWHMとの相関は、M_BH依存性とは独立しているのか、それともM_BH–変動関係の間接的結果にすぎないのか。
• RQ4 M_BHおよびṁを補正した後、線幅が狭いAGNと線幅が広いSeyfert 1型AGNに変動特性の差異が見られるか。
• RQ5 ソフトX線成分（例：ソフト過剰、ウォーム吸収体）が全X線変動に与える寄与はどれほど大きく、有意義な寄与をしているか。

主な発見

• 過剰分散（σ²_rms）とブラックホール質量（M_BH）の間に非常に有意できつい相関（散らばり～0.7 dex）が存在し、反響時間遅れ測定済みサブサンプルでは散らばりがたった2～3倍にまで減少しており、M_BH推定の高精度性を示している。
• パワースペクトル密度（PSD）振幅は降着率と ṁ^−0.8 の関係でスケーリングし、これはPSDの折りたたみ周波数のṁ依存性をほぼ相殺し、M_BHで正規化した際のσ²_rmsにおけるṁへのネット依存性が弱くなることを示している。
• σ²_rmsと2–10 keVスペクトル指数との間に非常に有意な相関（99.99％以上の信頼水準）が検出され、スペクトル指数が降着率に依存するという仮説（Γ ∝ ṁ^0.1）を支持している。
• σ²_rmsと全放射度（L_Bol）およびHβのFWHMとの相関は、いずれもM_BH依存性に起因しており、変動の独立した駆動要因ではないことを示している。
• ソフトおよび中エネルギー帯域の過剰分散は、ハード帯域（2–10 keV）の過剰分散ときわめて強く相関しており、1対1の線形関係から顕著なずれは認められず、ソフト成分による全変動への寄与は小さいことが示唆された。
• M_BHおよびṁで補正した後、線幅が狭いAGNと線幅が広いSeyfert 1型AGNの間で変動特性に顕著な差異は観測されず、AGNタイプを問わず普遍的な変動エンジンが存在することを支持している。