[論文レビュー] Multiwavelength campaign on Mrk 509 XII. Broad band spectral analysis

Pierre-Olivier Petrucci, S. Paltani+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 70被引用数 72

ひとこと要約

本研究は、2009年10月／11月の10回の観測キャンペーン中に取得したXMM-NewtonおよびINTEGRALデータを用いて、セイフェルト1型銀河Mrk 509の同時広帯域スペクトル解析を実施した。二重コロナモデルが同定された：一次的なX線連続スペクトルを生成する高温で光学的薄いコロナ（kT ~ 100 keV、τ ~ 0.5）と、ソフトX線過剰を引き起こす温かく光学的濃厚なプラズマ（kT ~ 1 keV、τ ~ 10–20）であり、後者はおそらくアインシュタイン半径R_tr ~ 10–20 R_g付近の降着円盤上にスラブ状の層を形成していると考えられ、ソフト過剰の弱い輝度依存性を説明する。

ABSTRACT

(Abridged) The simultaneous UV to X-rays/gamma rays data obtained during the multi-wavelength XMM/INTEGRAL campaign on the Seyfert 1 Mrk 509 are used in this paper and tested against physically motivated broad band models. Each observation has been fitted with a realistic thermal comptonisation model for the continuum emission. Prompted by the correlation between the UV and soft X-ray flux, we use a thermal comptonisation component for the soft X-ray excess. The UV to X-rays/gamma-rays emission of Mrk 509 can be well fitted by these components. The presence of a relatively hard high-energy spectrum points to the existence of a hot (kT~100 keV), optically-thin (tau~0.5) corona producing the primary continuum. On the contrary, the soft X-ray component requires a warm (kT~1 keV), optically-thick (tau~15) plasma. Estimates of the amplification ratio for this warm plasma support a configuration close to the "theoretical" configuration of a slab corona above a passive disk. An interesting consequence is the weak luminosity-dependence of its emission, a possible explanation of the roughly constant spectral shape of the soft X-ray excess seen in AGNs. The temperature (~ 3 eV) and flux of the soft-photon field entering and cooling the warm plasma suggests that it covers the accretion disk down to a transition radius $R_{tr}$ of 10-20 $R_g$. This plasma could be the warm upper layer of the accretion disk. On the contrary the hot corona has a more photon-starved geometry. The high temperature ($\sim$ 100 eV) of the soft-photon field entering and cooling it favors a localization of the hot corona in the inner flow. This soft-photon field could be part of the comptonised emission produced by the warm plasma. In this framework, the change in the geometry (i.e. $R_{tr}$) could explain most of the observed flux and spectral variability.

研究の動機と目的

• 同時多波長観測を用いて、Mrk 509の広帯域X線からUVスペクトルの物理的成分を解き明かすこと。
• セイフェルト銀河におけるソフトX線過剰と高エネルギー端末の起源に関する長年の曖昧さを解消すること。
• 具体的には、熱的コンプトン化、温かい吸収体、および反射成分を含む物理的に妥当なスペクトルモデルを、高精度な同時データと照らし合わせて検証すること。
• スペクトルフィッティングと輝度バランス解析を通じて、高温および温かいコロナルプラズマの幾何学的構造と物理的状態を制約すること。
• 特に、高温コロナと温かいプラズマの相対的幾何学的配置が、スペクトル変動性およびソフト過剰のほぼ一定のスペクトル形状をどのように説明できるかを調査すること。

提案手法

• 2009年10月／11月の10エポックにわたるXMM-NewtonおよびINTEGRAL観測を用いて、広帯域スペクトルの同時フィッティングを実施した。
• 高温電子によるソフトシード光子の熱的コンプトン化を記述するため、nthcompモデルを用い、パラメータとしてkTおよび光学的厚さτを用いた。
• 事前に得られた高精度なMrk 509の研究に基づき、温かい吸収体および反射成分を組み込んだ。
• コンプトン過程における光子保存則を用いて、シード光子の輝度（L_s）およびコロナ全体の輝度（L_tot）を推定し、観測されたフラックスに式(4)～(14)を適用してL_sおよびL_hを導出した。
• 放射平衡式（式15～17）を用いて、加熱／冷却比（L_h / L_s）を計算し、ソフトプラズマ内のエネルギーバランスを推定した。
• 異なるコンプトン化モデル（compst、comptt、eqpair）を用いた比較により、モデル仮定への感度を評価し、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mrk 509におけるソフトX線過剰の物理的起源は何か。これは一次的なハードX線連続スペクトルとどのように関係しているか。
• RQ2 ソフト過剰を生成する温かいプラズマの温度、光学的厚さ、幾何学的形状は何か。理論的期待値と比較してどうか。
• RQ3 高温コロナと温かいプラズマの幾何学的配置はどのように異なり、スペクトル変動性にどのような意味を持つのか。
• RQ4 なぜソフトX線過剰のスペクトル形状が異なる輝度でもほぼ一定なのか。これはプラズマの幾何学的配置によって説明可能か。
• RQ5 温かいプラズマにおける加熱と冷却のエネルギーバランスは何か。これはコロナが降着円盤からどの程度の位置にあるかを制限するか。

主な発見

• Mrk 509におけるソフトX線過剰は、降着円盤上に位置する温かく光学的濃厚なプラズマ（kT ~ 1 keV、τ ~ 10–20）によって最もよく説明される。
• 温かいプラズマは理論モデルに一致するスラブ状の配置と一致しており、遷移半径R_tr ~ 10–20 R_gであり、ソフト過剰の弱い輝度依存性を説明する。
• 高温コロナは非常にコンパクトで光子が不足しており、kT ~ 100 keV、光学的厚さτ ~ 0.5であり、内側の流れに局在していると支持される。
• 高温コロナを冷却するソフト光子場の温度は約3 eVであり、これは温かいプラズマによる放射の再処理に起因すると示唆される。
• 温かいコロナの輝度比L_h / L_sは約1であり、加熱と冷却がほぼ同等であるエネルギーバランスを示しており、厚い自己放射照射プラズマと整合的である。
• 温かいコロナの全輝度はL_tot ~ 2L_obsであり、光学的濃厚性が確認された。一方、高温コロナのL_tot ~ 2L_obs - L_sであり、光学的薄い状態と整合的である。