[論文レビュー] The XMM deep survey in the CDF-S VIII. X-ray properties of the two brightest sources

K. Iwasawa, C. Vignali+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 41被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、10年間にわたり2.5 Msの露出時間を持つXMM-Newton X線スペクトルを、Chandra Deep Field South (CDFS) で最も明るいAGNの2つ（PID 203、z=0.544 および PID 319、z=0.742）に対して提供した。X線発光度の変動は中程度（約10–20% rms）、強力でやや広がった鉄K線発光（EW ~0.2 keV）が観測され、その形状と発光度が変化しており、これは遠方のトーラスではなく、ディスク起源であることを示唆している。PID 319では、Eddington比の変動に関連する可変なイオン化状態の兆候も観測された。

ABSTRACT

We present results from the deep XMM-Newton observations of the two brightest X-ray sources in the Chandra Deep Field South (CDFS), PID 203 (z=0.544) and PID 319 (z=0.742). The long exposure of 2.5 Ms over a 10 year period (net 4 yr with a 6 yr gap) makes it possible to obtain high quality X-ray spectra of these two Type I AGN with X-ray luminosity of 10^44 erg/s, typical luminosity for low-redshift PG quasars, track their X-ray variability both in flux and spectral shape. Both sources showed X-ray flux variability of ~10-20 per cent in rms which is similar in the soft (0.5-2 keV) and hard (2-7 keV) bands. PID 203, which has evidence for optical extinction, shows modest amount of absorption (nH~1e21cm^-2) in the X-ray spectrum. Fe K emission is strongly detected in both objects with EW~0.2 keV. The lines in both objects are moderately broad and exhibit marginal evidence for variability in shape and flux, indicating that the bulk of the line emission come from their accretion disks rather than distant tori.

研究の動機と目的

• CDFSで最も明るい2つのX線源のX線スペクトル的および変動的性質を調査し、z>0.5の領域で最も高輝度のAGNに属するものである。
• 高赤方偏移のAGNにおける強力な鉄K線発光の起源を、ディスクとトーラスの寄与を区別して調査する。
• 局所宇宙を超えた中程度の輝度のタイプI AGNにおける長期的なX線変動を調査する。
• これらの高赤方偏移AGNのX線スペクトルに及ぼす吸収および光学的減光の影響を評価する。

提案手法

• 2001–2010年の2.5 Msの深宇宙XMM-Newton観測データを用い、変動解析のための6つの時間区間（X1–X6）に分類した。
• pn、MOS1、MOS2カメラからのXMM-Newtonデータと4 MsのChandraデータを統合し、信号対雑音比と時間分解能を向上させた。
• XSPECを用いたスペクトルフィッティングにより、連続スペクトル、吸収、鉄K線成分をモデル化し、ガウス型および相対論的ディスクラインモデルを含めた。
• 複数のエポックにわたる発光度および線の変動を追跡したが、XMMとChandra間の校正差異に注意を払った。
• αOXおよびEddington比を用いて、特にPID 319におけるイオン化状態の変化を評価した。
• rest-frame 2–10 keVの輝度補正と宇宙論的パラメータ（H₀=70 km s⁻¹ Mpc⁻¹、ΩΛ=0.72、ΩM=0.28）を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移のタイプI AGNにおける強力な鉄K線発光の起源は何か？ これは降着ディスク由来か、それとも遠方のトーラス由来か？
• RQ2 これらのAGNのX線発光度およびスペクトル形状は10年間でどのように変化するのか？ これは中心部のエンジンに何を示唆するか？
• RQ3 観測された鉄K線の変動はディスク起源と整合的か？ これは降着の内側環境に何を明らかにするか？
• RQ4 z=0.5–0.7のこれらのAGNのX線特性は、局所のPGクェーサーや他の高赤方偏移サンプルとどのように比較できるか？
• RQ5 鉄K線のエネルギーおよび幅の変動は、Eddington比の変化またはイオン化状態の変化と関連しているか？

主な発見

• PID 203（z=0.544）およびPID 319（z=0.742）の2源とも、ソフト（0.5–2 keV）およびハード（2–7 keV）バンドで約10–20% rmsの中程度のX線発光度変動を示した。
• 両源とも、等価幅が約0.2 keVの強力な鉄K線発光を示しており、冷たい遠方物質からの期待値（EW ~0.04 keV）よりも顕著に高い。これは支配的なディスク由来であることを示唆している。
• 鉄K線は中程度に広がっており（σ ≈ 0.2–0.3 keV）、その形状と発光度が時間とともに変化しており、特にPID 203では6年間で線が広がった。これはディスク由来を支持する。
• PID 319では、2001–2002年の鉄K線エネルギーが6.5–6.9 keV（解像不能）であったのに対し、2008–2010年には6.21 keV（広がった）に変化しており、可変なイオン化状態を示唆している。これは初期エポックに高いEddington比が関与していた可能性を示唆している。
• αOXがより高いPID 319（αOX ≈ −1.4）では、2001–2002年に高イオン化鉄K線（Fe xxv/xxvi）の兆候が観測され、UVの輝度と相関する一時的な高イオン化状態を示唆している。
• やや広がったが、10⁹ M⊙のブラックホールが約40 rgの距離に位置する場合、動的時定数は約3か月であり、観測された短時間スケールの鉄K線変動と整合的である。これは相対論的ディスク由来を支持する。