[論文レビュー] XMM-Newton observation of the deep minimum state of PG 2112+059: A spectrum dominated by reflection from the accretion disk?

N. Schartel, P. M. Rodriguez‐Pascual+6 more|ArXiv.org|Sep 15, 2007

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 43被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、X線が弱いクェーサーPG 2112+059のXMM-Newton観測を、深いつきみ状態で行った。その結果、スペクトルは吸収ではなく、相対論的に幅広がったX線反射が支配的であることが判明した。データは、特大ブラックホールの近くで光の屈曲が主な連続スペクトルを抑制していることを示唆しており、長年にわたり広く受け入れられてきた、このようなクェーサーにおけるX線の弱さは吸収によるという見解に挑戦するものである。

ABSTRACT

We analyse a 75ks XMM-Newton observation of PG 2112+059 performed in November 2005 and compare it with a 15ks XMM-Newton observation taken in May 2003. PG 2112+059 was found in a deep minimum state as its 0.2-12 keV flux decreased by a factor of 10 in comparison to the May 2003 observation. During the deep minimum state the spectra show strong emission in excess of the continuum in the 3-6 keV region. The excess emission corresponds to an EW = 26.1 keV whereas its shape resembles that of heavily absorbed objects. The spectra of both observations of PG 2112+059 can be explained statistically by a combination of two absorbers where one shows a high column density, $N_{H} \sim 4.5 imes 10^{23} cm^{-2}$, and the other high ionisation parameters. As the ionisation parameter of the high flux state, $ξ\sim 34 erg cm s^{-1}$, is lower than the value found for the deep minimum state, $ξ\sim 110 erg cm s^{-1}$, either the absorbers are physically different or the absorbing material is moving with respect to the X-ray source. The spectra can also be explained by a continuum plus X-ray ionised reflection on the accretion disk, seen behind a warm absorber. The ionisation parameter of the high state ($ξ\sim 5.6 erg cm s^{-1}$) is higher than the ionisation parameter of the deep minimum state ($ξ\sim 0.2 erg cm s^{-1}$), as expected for a stationary absorber. The values found for the ionisation parameters are in the range typical for AGNs. The spectra observed during the deep minimum state are reflection dominated and show no continuum emission. These can be understood in the context of light bending near the supermassive black hole as predicted by Minutti and Fabian.

研究の動機と目的

• 軟X線が弱いクェーサーにおけるX線の弱さの物理的起源を解明すること、特に極めて変動が激しく複雑なスペクトルを示すPG 2112+059を対象とすること。
• 深いつきみ状態が吸収によるものか、それともブラックホール近くでの相対論的効果（例：光の屈曲）によるものかを特定すること。
• 観測されたスペクトル特徴、特に3–6 keV領域の強い発光過剰が、降着円盤からのX線イオン化反射によって説明可能かどうかを評価すること。
• 中性およびイオン化された2つの吸収体を含むモデルと、温かい吸収体の後ろに支配的な反射発光を含むモデルを比較すること。
• クェーサーにおけるX線の弱さの主因が吸収であるという一般的な仮説に挑戦し、代替的な物理的メカニズムを検証すること。

提案手法

• 2005年11月に、PG 2112+059を75-ksのXMM-Newton観測で、深いつきみ状態で観測した。
• 2003年5月の15-ksのXMM-Newton観測結果と比較し、スペクトルおよび放射束の変動を分析した。
• 光電離化吸収モデルを用いてスペクトルをフィットし、2つの成分を含めた：高密度（NH ~ 4.5×10²³ cm⁻²）と高イオン化パラメータ（ξ ~ 110 erg cm s⁻¹）のもの。
• 主連続スペクトルがブラックホール近くでの光の屈曲によって抑制されるという、X線イオン化反射が支配的なスペクトルモデルを検証した。
• Minutti & Fabian (2004)の光の屈曲モデルを用い、深いつきみ状態における連続スペクトルの欠如と強い反射特徴を説明した。
• イオン化パラメータと等価幅（EW = 26.1 keV）を評価し、吸収と反射のシナリオを区別した。AGN物理学と期待される傾向に整合するため、反射シナリオが好ましいとされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PG 2112+059の深いつきみ状態は、吸収によるものか、それともブラックホール近くでの相対論的効果（例：光の屈曲）によるものか？
• RQ2 深いつきみ状態で観測された3–6 keV領域の強い発光過剰は、降着円盤からのX線イオン化反射によって説明可能か？
• RQ3 吸収モデルでは、深いつきみ状態でイオン化パラメータが上昇するが、これは物理的変化か、吸収体の運動を示唆するのか？
• RQ4 深いつきみ状態における反射支配スペクトルは、X線が弱いクェーサーの標準的な吸収モデルと矛盾するか？
• RQ5 観測されたスペクトル的・変動的挙動を用いて、特大ブラックホール周辺の強力な重力場における一般相対性理論を検証可能か？

主な発見

• PG 2112+059は2005年11月に深いつきみ状態に入った。0.2–12 keVの放射束は2003年5月の観測と比較して10分の1に減少した。
• 深いつきみ状態のスペクトルは、3–6 keV領域に強い発光過剰を示し、等価幅は26.1 keVであった。これは強く吸収された源に類似しているが、単純な吸収モデルとは整合しない。
• 吸収モデルでは、深いつきみ状態で物理的に不自然な高いイオン化パラメータ（ξ ~ 110 erg cm s⁻¹）を要する。これは異なる吸収体の存在、または吸収体の相対的運動を示唆する。
• 反射モデルはデータをよりよく説明する：深いつきみ状態のスペクトルは、降着円盤からのX線イオン化反射が支配的であり、明確な主連続スペクトルは検出されなかった。これはブラックホール近くでの光の屈曲と整合的である。
• 反射モデルでは、深いつきみ状態のイオン化パラメータ（ξ ~ 0.2 erg cm s⁻¹）は、高状態（ξ ~ 5.6 erg cm s⁻¹）よりも低く、静止した吸収体の期待される傾向と一致し、反射シナリオを支持する。
• これらの結果は、クェーサーにおけるX線の弱さが主に吸収によるという従来の見解に挑戦するものであり、光の屈曲がX線が弱いクェーサーにおいて主要なメカニズムである可能性を示唆している。これは、強力な重力場における一般相対性理論の新たな検証の道筋を提供する。