[論文レビュー] Relativistic emission lines from accreting black holes - The effect of disk truncation on line profiles

Andreas Mueller, Max Camenzind|ArXiv.org|Sep 30, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、回転するブラックホール周囲の降着円盤における径方向の漂流と非ケプラーモーションを組み込んだ相対論的レイトラーシングモデルを提示し、X線発光線スペクトルをシミュレートする。径方向の漂流が純ケプラーモデルと比較して赤方偏移したスペクトルの赤ずれ部分のフラックスを減少させることを示し、多元素線系と断片的円盤幾何学を用いてMCG–6–30–15で観測された特徴的なショルダー状のFe Kα線スペクトルを成功裏に再現した。

ABSTRACT

Relativistic emission lines generated by thin accretion disks around rotating black holes are an important diagnostic tool for testing gravity near the horizon. The iron K-line is of special importance for the interpretation of the X-ray emission of Seyfert galaxies, quasars and galactic X-ray binary systems. A generalized kinematic model is presented which includes radial drifts and non-Keplerian rotations for the line emitters. The resulting line profiles are obtained with an object-oriented ray tracer operating in the curved Kerr background metric. The general form of the Doppler factor is presented which includes all kinds of poloidal and toroidal motions near the horizon. The parameters of the model include the spin parameter, the inclination, the truncation and outer radius of the disk, velocity profiles for rotation and radial drift, the emissivity profile and a multi-species line-system. The red wing flux is generally reduced when radial drift is included as compared to the pure Keplerian velocity field. All resulting emission line profiles can be classified as triangular, double-horned, double-peaked, bumpy and shoulder-like. Of particular interest are emission line profiles generated by truncated standard accretion disks (TSD). It is also shown that the emissivity law has a great influence on the profiles. The characteristic shoulder-like line profile observed for the Seyfert galaxy MCG-6-30-15 can be reproduced for suitable parameters

研究の動機と目的

• 降着円盤内のブラックホール周囲で、円盤の断片化と径方向の漂流が相対論的に広がったX線発光線スペクトルに与える影響を調査すること。
• 標準的なケプラーモーションを超える非ケプラーモーション場を組み込むことで、発光線モデリングの物理的現実性を向上させること。
• 多元素線系と断片的標準円盤（TSD）幾何学を用いて、セイフェルト銀河MCG–6–30–15で観測された実際のショルダー状Fe Kα線スペクトルを再現すること。
• 発光度法則と円盤境界条件が線スペクトルの形態に与える影響を評価すること。
• モデル出力に基づき、三角形、二重ホーン状など、明確なトポロジカルな家族に分類された相対論的広がり発光線スペクトルを特定すること。

提案手法

• 曲がったカー計量において、発光プラズマ要素の光子軌道を計算するオブジェクト指向のレイトラーサーを用いる。
• 極面およびトロイダル運動を考慮した一般化されたドップラー係数を導入し、$ r_{ ext{t}} = 4.5\thinspace r_g $ から内側への径方向の漂流を含む。
• 可変な内半径および外半径、スピンパラメータ $ a $、傾斜角、発光度プロファイル（例：$ \beta = 3.0 $ のべき乗則）を用いて円盤をモデル化する。
• 静止系でFe Kα（6.4 keV）、Fe Kβ（7.06 keV）、Ni Kα（7.48 keV）、Cr Kα（5.41 keV）を含む多元素X線線系をシミュレートする。
• 純ケプラーモーションと非ケプラーモーションによる径方向漂流を含むモデルを比較し、径方向速度成分の影響を分離する。
• カット・パワー則およびガウス型発光度関数を用いて、発光度法則が線スペクトル形状および事象の地平線付近のフラックス抑制に与える影響を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着円盤内の径方向の漂流は、純ケプラーモーションと比較して、相対論的に広がったFe Kα発光線の形状とフラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 非ケプラーモーション場を有する断片的標準円盤（TSD）モデルを用いて、MCG–6–30–15で観測されたショルダー状のFe Kα線スペクトルを再現できるか？
• RQ3 発光度法則が相対論的発光線スペクトルの赤ずれ部分と全体のスペクトル形態に与える役割は何か？
• RQ4 異なる円盤の断片化半径と外縁境界が線スペクトル特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 モデルからどのようなトポロジカルな家族（三角形、二重ホーン状など）の相対論的広がり発光線スペクトルが出現し、それらを定義づける物理的条件は何か？

主な発見

• 径方向の漂流は、純ケプラーモデルと比較してFe Kα線の赤ずれ部分のフラックスを低減させ、非ケプラーモーションが極端な赤方偏移発光を抑制することを示している。
• 発光度指数 $ \beta = 3.0 $、円盤の断片化半径 $ r_{ ext{t}} = 4.5\thinspace r_g $、$ a = 0.8 $ の条件下で、多元素線系と組み合わせることで、MCG–6–30–15で観測された特徴的なショルダー状の線スペクトルを成功裏に再現した。
• ショルダー特徴と赤ずれ部分のピークとの間のフラックス比は約5であり、XMM-Newtonデータで観測された約4に非常に近い値である。
• 一般化されたドップラー係数は、特に高傾斜角系において、事象の地平線付近の発光を強く抑制し、内側円盤領域からのフラックスを制限する「シャドウ効果」を生じる。
• ガウス型またはカット・パワー則発光度関数を用いる際、ドップラー係数の急激な低下により、事象の地平線付近からの発光が顕著に抑制される。
• 本モデルは、線スペクトルを5つのトポロジカルな家族に分類する：三角形、二重ホーン状、二重ピーク状、ボクシー状、ショルダー状。これにより、観測された線スペクトル形態の解釈のためのフレームワークが提供される。