[論文レビュー] The Hot and Energetic Universe: The close environments of supermassive black holes

Michal Dovčiak, Giorgio Matt+23 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、アテナ＋X線望遠鏡が、高感度・高分解能のX線分光およびタイミング解析を可能にすることで、活動銀河核（AGN）における超大質量ブラックホール環境の理解を画期的に進めるものであると提唱している。主に、主放射と反射X線の時間遅れを用いて、ディスク＝コロナ系のマッピングを実施し、AGNの中心1パーセク以内におけるブラックホールスピン、コロナ構造、周囲核物質の正確な測定を可能にする。

ABSTRACT

Most of the action in Active Galactic Nuclei (AGN) occurs within a few tens of gravitational radii from the supermassive black hole, where matter in the accretion disk may lose up to almost half of its energy with a copious production of X-rays, emitted via Comptonization of the disk photons by hot electrons in a corona and partly reflected by the accretion disk. Thanks to its large effective area and excellent energy resolution, Athena+ contributions in the understanding of the physics of accretion in AGN will be fundamental - and unique - in many respects. It will allow us to map the disk-corona system - which is crucial to understand the mechanism of energy extraction and the relation of the corona with winds and jets - by studying the time lags between reflected and primary photons. These lags have been recently discovered by XMM-Newton, but only Athena+ will have the sensitivity required to fully exploit this technique. Athena+ will also be able e.g. to determine robustly the spin of the black hole in nearby sources (and to extend these measurements beyond the local Universe), to establish the nature of the soft X-ray components, and to map the circumnuclear matter within the AGN inner parsec with unprecedented details.

研究の動機と目的

• 活動銀河核（AGN）における超大質量ブラックホールの直近の物理的プロセスの理解を進める。
• 現在のX線望遠鏡が、降着ディスク、コロナ、および噴流の複雑な相互作用を解明する上で抱える限界を克服する。
• 近傍AGNにおけるブラックホールスピンとソフトX線成分の性質を信頼性高く測定することを可能にする。
• AGNの中心1パーセク以内における周囲核物質の分布と性質を、かつてない詳細さでマッピングすること。
• 主放射と反射X線の時間遅れを、ディスク＝コロナ系の幾何学的・動的構造のプローブとして活用すること。

提案手法

• アテナ＋の大きな有効面積と優れたエネルギー分解能を活用し、高SN比でAGNからのX線放射を検出・分析する。
• 高コマレートのX線光度曲線を用いて、主X線光子とその反射光子との間の時間遅れを測定する。
• X線分光を応用し、X線スペクトルにおける熱的成分、コンプトン化成分、および反射成分の寄与を分離する。
• 観測されたX線の変動と時間遅れをモデル化し、コロナおよび降着ディスクの幾何学的・物理的状態を推定する。
• 高分解能X線データを用いて、相対論的に幅広がった鉄線のフィッティングにより、近傍AGNにおけるブラックホールのスピンパラメータを制約する。
• X線バンドにおける狭い吸収線および発光線を用いて、周囲核物質の光学厚さとイオン化状態をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNにおける降着ディスクの周囲に存在するコロナの空間的・物理的構造は何か？
• RQ2 主X線と反射X線の間の時間遅れは、ディスク＝コロナ系の幾何学的・動的構造をどのように制約するか？
• RQ3 多くのAGNスペクトルで観測されるソフトX線過剰成分の真の性質は何か？
• RQ4 X線タイミングと分光を用いて、近傍AGNにおけるブラックホールスピンを信頼性高くどのように測定できるか？
• RQ5 AGNの中心1パーセク以内における周囲核物質の分布と物理的状態は何か？

主な発見

• アテナ＋は、XMM-Newtonが最初に検出したが感度の制限により限界があった、主X線と反射X線の時間遅れを完全に活用するための感度を提供する。
• この望遠鏡により、近傍AGNにおけるブラックホールスピンの信頼性高い測定が可能となり、地本土宇宙を超えてその測定を拡張できる。
• アテナ＋は、中心1パーセク以内の周囲核媒体を、かつてない空間的・スペクトル的分解能でマッピングする。
• アテナ＋の高分解能分光により、AGNスペクトルにおけるソフトX線過剰成分を信頼性高く特徴づけることができる。
• 相関する変動と時間遅れ解析を通じて、ディスク＝コロナ系の動的マッピングが可能となり、高温プラズマの物理的状態が明らかになる。
• 高感度と高エネルギー分解能の組み合わせにより、AGNの最も内側領域について、個々の源ごとの詳細な特徴付けが初めて可能になる。