[論文レビュー] X-ray Emission From Accretion Disks of AGN: Signatures of Supermassive Black Holes

P. Jovanović, Luka Č. Popović|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 4被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、活発銀河核（AGN）内の超大質量ブラックホール周囲の相対論的降着円盤からのX線放射を調査し、強力な重力場に近い場所を探る手段として広帯域Fe Kα線を焦点としている。キラーおよびシュワルツシルト計量における光線追跡を用いて、Fe Kα線の相対論的プロファイルが重力赤方偏移およびドップラー効果によって形作られ、ブラックホールスピンおよび時空幾何学を明らかにできることを示している。一方、変動は降着円盤の発光性の摂動、温かい吸収体、重力的マイクロレンズ効果によって生じ、これらは連続スペクトルよりもFe Kα線の増幅を強くもたらす可能性がある。

ABSTRACT

In this chapter we discuss the X-ray radiation from relativistic accretion disks around supermassive black holes, supposed to exist in the centers of Active Galactic Nuclei (AGN). Our focus is on the X-ray radiation, especially in the Fe K$α$ line which originates in the innermost parts of an accretion disk. Moreover, here we discuss some effects which can disturb the Fe K$α$ profile and cause its rapid and irregular variability, observed in the X-ray spectra of some AGN. We will pay attention to three such effects: perturbations in the disk emissivity, absorbtion by warm absorbers and gravitational microlensing. The X-ray emission from accretion disks around non-rotating (Schwarzschild metric), as well as rotating (Kerr metric) supermassive black holes, is discussed. The X-ray radiation of AGN is probably produced in a compact region near their central supermassive black holes, and can provide us some essential information about the plasma conditions and the space-time geometry in these regions. The goal of this chapter is mainly to present a short overview of some important and recent investigations in this field.

研究の動機と目的

• AGNの降着円盤からのX線放射、特にFe Kα線の起源と特徴を理解し、超大質量ブラックホール物理学の探査手段とする。
• キラーおよびシュワルツシルト時空における光線追跡を用いて、Fe Kα線の相対論的幅広がりをモデル化し、ブラックホールスピンおよび時空の曲率を推定する。
• AGNで観測される急速かつ不規則なX線変動の原因を、降着円盤の発光性の摂動、温いX線吸収体、重力的マイクロレンズに焦点を当てて調査する。
• マイクロレンズ効果などの観測的効果がFe Kα線とX線連続スペクトルをどのように異なる割合で増幅するかを評価し、放射領域の構造に関する知見を得る。

提案手法

• 重力赤方偏移およびドップラーシフトによって引き起こされるFe Kα線の相対論的幅広がりをモデル化するため、キラーおよびシュワルツシルト計量における光線追跡シミュレーション。
• 標準的薄い円盤理論を用いて降着円盤からのX線連続スペクトル発光をモデル化し、降着率およびブラックホール質量から得られる全放射度およびスペクトルエネルギー分布を導出。
• イベントホライズン付近での光の曲がりや時間の遅れといった相対論的効果を含めた強力な重力下でのFe Kα線プロファイルの分析。
• 内側円盤領域からの変動するX線放射の時間に依存するモデルを通じた降着円盤発光性の摂動の調査。
• 光電離モデルを用いて温かいX線吸収体を組み込み、Fe Kα線プロファイルを歪める吸収特徴を模擬。
• 増幅マップを用いた重力的マイクロレンズ効果のシミュレーションを行い、Fe Kα線とX線連続スペクトルの差別の増幅を予測。Fe Kα線は内側円盤のコンact領域から発生する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNのX線スペクトルにおけるFe Kα線の相対論的幅広がりは、超大質量ブラックホールのスピンおよび時空幾何学をどのように反映しているか？
• RQ2 Fe Kα線およびX線連続スペクトルで観測される急速かつ不規則な変動を引き起こすメカニズムは何か？
• RQ3 重力的マイクロレンズ効果は、X線連続スペクトルよりもFe Kα線をどれほど強く増幅させるか？このことから放射領域のサイズおよび位置について何が示唆されるか？
• RQ4 温かいX線吸収体は観測されるFe Kα線プロファイルにどのように影響を与えるか？また、これらはAGNにおけるスペクトル変動を説明できるか？

主な発見

• 26個のタイプ1から1.9のセイフェルト銀河のサンプルにおいて、Fe Kα線は54±10%の割合で顕著に検出され、平均等価幅は約80 eVであり、これは強いかつ広範に及ぶ相対論的起源を示している。
• 広く非対称なFe Kα線プロファイル（狭い青ピークと赤いウェッジを有する）は、降着円盤の最も内側の領域から発生しており、放射速度は光速の約1/3に達するなど、相対論的運動を示している。
• 重力的マイクロレンズ効果は、Fe Kα線の輝度に急速で強い変動を引き起こす一方で、X線連続スペクトルはほとんど変化させないため、レンズ効果を受けるクェーサーで観測される線と連続スペクトルの変動の不一致を説明できる。
• Fe Kα線のマイクロレンズ増幅は、光学/UV放射よりも顕著に強く、X線線はコンパクトな放射領域を調べるのにより感受性が高い。
• X線連続スペクトルは20〜100重力半径（Rg）の領域から発生しているが、Fe Kα線は内側円盤に近い場所に局在しており、コンパクトで相対論的起源を支持する。
• 降着円盤の発光性の摂動および温いX線吸収体による吸収は、Fe Kα線の急速で不規則な変動を生じる妥当なメカニズムであり、MCG-6-30-15などのAGN観測と整合的である。