[논문 리뷰] A deep X-ray view of the bare AGN Ark120. IV. XMM-Newton and NuSTAR spectra dominated by two temperature (warm, hot) Comptonization processes

D. Porquet, J. N. Reeves외 17명|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|2017. 07. 27.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 83인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 투명한 AGN인 Ark 120의 깊은 XMM-Newton 및 NuSTAR 관측을 분석하여, X선 스펙트럼이 두 개의 별개의 콘프턴화 성분에 의해 가장 잘 설명됨을 밝혀냈다: 부드러운 X선 과잉을 만드는 따뜻하고 광학적으로 두꺼운 코로나(kTₑ ≈ 0.5 keV, τ ≈ 9)와 경직된 X선 연속스펙트럼을 지배하는 뜨거운 광학적으로 얇은 코로나. 넓은 Fe Kα 선과 약간의 콘프턴 히л은 수십 개의 중력 반경 거리에 있는 디스크에서 발생하는 상대론적 반사에 기인하며, 반사 분율 ℛ ≈ 0.3으로, 코로나에 의한 부분적인 덮개를 나타내어 반사가 부분적으로만 관측됨을 시사한다.

ABSTRACT

We perform an X-ray spectral analysis of the brightest and cleanest bare AGN known so far, Ark 120, in order to determine the process(es) at work in the vicinity of the SMBH. We present spectral analysis of data from an extensive campaign observing Ark 120 in X-rays with XMM-Newton (4$ imes$120 ks, 2014 March 18-24), and NuSTAR (65.5 ks, 2014 March 22). During this very deep X-ray campaign, the source was caught in a high flux state similar to the earlier 2003 XMM-Newton observation, and about twice as bright as the lower-flux observation in 2013. The spectral analysis confirms the "softer when brighter" behaviour of Ark 120. The four XMM-Newton/pn spectra are characterized by the presence of a prominent soft X-ray excess and a significant FeK$α$ complex. The continuum is very similar above about 3 keV, while significant variability is present for the soft X-ray excess. We find that relativistic reflection from a constant-density, flat accretion disk cannot simultaneously produce the soft excess, broad FeK$α$ complex, and hard X-ray excess. Instead, Comptonization reproduces the broadband (0.3-79 keV) continuum well, together with a contribution from a mildly relativistic disk reflection spectrum. During this 2014 observational campaign, the soft X-ray spectrum of Ark 120 below $\sim$0.5 keV was found to be dominated by Comptonization of seed photons from the disk by a warm ($kT_{ m e}$$\sim$0.5 keV), optically-thick corona ($τ$$\sim$9). Above this energy, the X-ray spectrum becomes dominated by Comptonization from electrons in a hot optically thin corona, while the broad FeK$α$ line and the mild Compton hump result from reflection off the disk at several tens of gravitational radii.

연구 동기 및 목표

• 부드러운 X선 과잉과 넓은 Fe Kα 선의 물리적 기원을 밝혀내기 위해, 최소한의 차폐를 보이는 희귀한 '투명한' AGN인 Ark 120에서 분석한다.
• 0.3에서 79 keV의 X선 연속스펙트럼을 형성하는 데 기여하는 콘프턴화와 상대론적 반사의 기여를 분리한다.
• 코로나의 기하학적 구조와 광학적 두께가 관측된 X선 스펙트럼과 반사 특징에 미치는 영향을 조사한다.
• 2013년과 2014년 사이에 코로나의 구조가 변화했는지 확인하여 상대론적 반사의 탐지 가능성에 영향을 미쳤는지 테스트한다.

제안 방법

• 2014년 3월의 XMM-Newton(pn) 480 ks 및 NuSTAR 65.5 ks 관측 데이터를 활용해 광대역 X선 스펙트럼 피팅을 수행하였다.
• 연속스펙트럼을 이중 콘프턴화 모델로 모델링하였으며, 따뜻하고 광학적으로 두꺼운 코로나(τ ≈ 9, kTₑ ≈ 0.5 keV)와 뜨거우며 광학적으로 얇은 코로나(kTₑ ≈ 100 keV)를 포함하였다.
• 고정 밀도의 평평한 비행성 디스크에서 발생하는 상대론적으로 블러어진 반사 성분을 도입하여 Fe Kα 복합체와 콘프턴 히르프를 설명하였다.
• 반사 분율(ℛ)을 진단 도구로 사용하여 코로나의 덮개 요소와 반사 가능성에 미치는 영향을 추론하였다.
• 2014년 데이터를 2013년 관측과 비교하여 스펙트럼 변화와 코로나 기하학적 변화를 평가하였다.
• RGS 스펙트럼에서 관측된 흡수 특징을 통해 따뜻한 흡수체의 존재를 고려하여, Ark 120이 AGN 통합 모델에 부합함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 차폐를 보이는 '투명한' 특성을 지닌 Ark 120에서, 부드러운 X선 과잉은 어떤 물리적 과정에 의해 발생하는가?
• RQ2 콘프턴화만으로 전체 X선 연속스펙트럼을 설명할 수 있는가, 아니면 Fe Kα 복합체와 경직된 X선 과잉을 설명하기 위해 상대론적 반사가 필수적인가?
• RQ3 코로나의 기하학적 구조와 광학적 두께는 관측된 반사 스펙트럼과 상대론적 특징의 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 2013년과 유사한 질량 흡착 상태임에도 불구하고, 2014년에는 넓은 Fe Kα 선이 관측되었고 2013년에는 관측되지 않았던 이유는 무엇인가?
• RQ5 낮은 반사 분율(ℛ ≈ 0.3)은 코로나의 덮개 요소와 공간적 구조에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 약 ~0.5 keV 이하의 낮은 에너지 영역에서의 부드러운 X선 과잉은 kTₑ ≈ 0.5 keV이고 광학적 두께 τ ≈ 9인 따뜻하고 광학적으로 두꺼운 코로나에 의한 디스크 시드 광자들의 콘프턴화에 의해 지배된다.
• ~0.5 keV 이상의 경직된 X선 연속스펙트럼은 kTₑ ≈ 100 keV인 뜨거운 광학적으로 얇은 코로나에 의한 콘프턴화로 가장 잘 맞는다.
• 넓은 Fe Kα 선과 약한 콘프턴 히르프는 수십 개의 중력 반경 거리에 위치한 디스크에서 발생하는 상대론적으로 블러어진 반사 성분에 의해 재현된다.
• 반사 분율 ℛ ≈ 0.3은 코로나에 의한 디스크의 부분적인 덮개를 나타내며, 덮개 요소가 약 ~85% 이하임을 일관되게 시사한다.
• 2014년 관측에서는 상대론적 반사가 탐지되었지만 2013년 관측에서는 탐지되지 않았으며, 이는 코로나의 기하학적 구조나 덮개 요소가 시간에 따라 변화했음을 시사한다.
• 강한 흡수 특징이 없고, 선의 방향에서 벗어난 곳에 따뜻한 흡수체가 존재함을 확인하여, Ark 120가 통합 모델에 부합하는 '투명한' AGN로 분류됨을 확인한다.