[論文レビュー] Multiwavelength campaign on Mrk 509: Reverberation of the Fe Kalpha line

G. Ponti, M. Cappi+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 96被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、10エポックにわたるXMM-Newtonモニタリングキャンペーンを用いて、セイファート1銀河Mrk 509における解像されたFe K𝛼ライン成分の初の直接リバーブベーション測定を実施した。線は連続スペクトルの変動に対して遅れが測定されない反応を示しており、ブラックホールから約1000重力半径（r_g）以内の領域からの発光を示しており、これは約80光日における内側の幅広い線領域（BLR）と整合的である。一方、赤方偏移したウェッジが観測されないことは、発光領域の最小半径が≥40 r_gであることを示唆している。

ABSTRACT

We report on a detailed study of the Fe K emission/absorption complex in the nearby, bright Seyfert 1 galaxy Mrk 509. The study is part of an extensive XMM-Newton monitoring consisting of 10 pointings (~60 ks each) about once every four days, and includes also a reanalysis of previous XMM-Newton and Chandra observations. Mrk 509 shows a clear (EW=58 eV) neutral Fe Kalpha emission line that can be decomposed into a narrow (sigma=0.027 keV) component (found in the Chandra HETG data) plus a resolved (sigma=0.22 keV) component. We find the first successful measurement of a linear correlation between the intensity of the resolved line component and the 3-10 keV flux variations on time-scales of years down to a few days. The Fe Kalpha reverberates the hard X-ray continuum without any measurable lag, suggesting that the region producing the resolved Fe Kalpha component is located within a few light days-week (r40 rg for its distance from the BH. The Fe Kalpha could thus be emitted from the inner regions of the BLR, i.e. within the ~80 light days indicated by the Hbeta line measurements. In addition to these two neutral Fe Kalpha components, we confirm the detection of weak (EW~8-20 eV) ionised Fe K emission. This ionised line can be modeled with either a blend of two narrow FeXXV and FeXXVI emission lines or with a single relativistic line produced, in an ionised disc, down to a few rg from the BH. Finally, we observe a weakening/disappearing of the medium and high velocity high ionisation Fe K wind features found in previous XMM-Newton observations. This campaign has made possible the first reverberation measurement of the resolved component of the Fe Kalpha line, from which we can infer a location for the bulk of its emission at a distance of r~40-1000 rg from the BH.

研究の動機と目的

• Mrk 509におけるFe K𝛼発光および吸収成分の起源と空間的位置を理解すること。
• 時間分解スペクトル解析を通じて、ブラックホール近傍のX線再放射領域の幾何学的・動的特性を解明すること。
• Fe K𝛼ラインが連続スペクトルの変動に測定可能な遅れを示すかどうかを検証し、X線再放射領域のリバーブベーションマッピングを可能にすること。
• 遠方散乱と高度にイオン化された内側ディスクからの相対論的発光という、相反するFe K発光の起源モデルを区別すること。
• 600-ksのモニタリングキャンペーン中に、高エネルギー・高イオン化度のFe K吸収アウトフローの変動と進化を調査すること。

提案手法

• 連続スペクトルの変動を日数から数年にわたるスケールでサンプリングするため、約60 ksの点像を10エポックにわたり、約4日間隔でXMM-Newtonで実施したモニタリングキャンペーン。
• 短期的（数日）および長期的（数年）な変動を対象とした時間分解スペクトル解析を実施し、エネルギー依存性のある変動を検出するためのモデルに依存しないrmsスペクトルを用いた。
• 3–10 keV連続スペクトルのfluxと解像されたFe K𝛼ライン成分との間の相互相関を測定し、連続スペクトルとライン応答の間の時間遅れを推定した。
• 相対論的反射モデルを用いてFe K𝛼ラインプロファイルをフィットし、ブラックホールに近い領域からの発光を示す幅広く歪んだ成分の有無を検証した。
• XMM-NewtonおよびChandraのアーカイブ観測データを再分析し、スペクトルカバレッジを向上させ、中性およびイオン化されたライン成分を制約した。
• Fe Kバンドにおける吸収特徴の有意性を、有意水準（例：>3σ）を用いて評価し、異なる観測エポック間での強度を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe K𝛼ラインのリバーブベーション応答から、その空間的位置はMrk 509のどの程度の距離にあると考えられるか？（特に硬X線連続スペクトルへの応答から推定）。
• RQ2 Fe K𝛼ラインは連続スペクトルに対して測定可能な時間遅れを示すか？その結果、再放射領域のブラックホールからの距離にどのような意味があるか？
• RQ3 弱いイオン化Fe K発光の起源は何か？遠方散乱か、高度にイオン化された内側ディスクからの相対論的発光か？
• RQ4 以前のXMM-Newtonデータで観測された高イオン化度・高速度Fe K吸収特徴が、2009年のキャンペーンでは顕著に弱く、あるいは存在しなくなったのはなぜか？
• RQ5 赤方偏移したラインウェッジの欠如と測定されたライン幅は、再放射物質の内側半径にどのような制約を課すか？

主な発見

• 解像されたFe K𝛼ライン成分（σ = 0.22 keV）は、日数から数年にわたる3–10 keV連続スペクトルのfluxと線形相関を示し、測定可能な時間遅れが認められない。これは、ブラックホールから約1000 r_g以内の再放射領域からの発光を示しており、内側の幅広い線領域（BLR）と整合的である。
• Fe K𝛼ラインに赤方偏移したウェッジが観測されないことは、発光領域の最小半径が≥40 r_gであることを示唆しており、非常に内側のディスクからの発光を除外する。
• Fe K𝛼ラインは、狭い（σ = 0.027 keV）および広い（σ = 0.22 keV）中性成分から構成されており、後者がリバーブベーション応答を支配している。
• イオン化Fe K発光（EW ≈ 8–20 eV）は、数r_gまで下降する高度にイオン化されたディスクからの単一の相対論的ラインによって最もよく説明され、この源の高いEddington比と整合的である。
• 以前は約4σの有意水準で検出された高イオン化度・中程度速度（v ≈ 0.048c）のFe K吸収成分は、現在は顕著に弱く（EW = -3.2+2.6/-2.8 eV）または存在しなくなった。これは、アウトフローの強い変動を示唆している。
• 600-ksの2009年キャンペーンでは、高エネルギー（v ~ 0.05–0.2c）のFe K吸収体の明確な証拠は得られなかったが、以前の300-ksの集積観測では検出されていた。これは、流れ出る物質の強い変動を示している。