[논문 리뷰] A long term study of AGN X-ray variability. Structure function analysis on a ROSAT-XMM quasar sample

R. Middei, F. Vagnetti외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 27.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 57인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 약 20년에 걸쳐 휴면 기준으로 ROSAT 및 XMM-Newton 데이터를 분석한 구조 함수 분석을 통해 2,864개의 활성은하핵(AGN)의 장기적 X선 변동성을 조사한다. 변동성이 포화 상태에 도달하지 않고 계속 증가하는 것으로 나타나, 연한 X선 방출이 작고 밀도 높은 내부 코로나가 아니라 확장된 따뜻한 코로나 또는 외부 순환원반 영역과 같은 대규모 구조에서 기인할 가능성이 제기된다.

ABSTRACT

Variability in the X-rays is a key ingredient in understanding and unveiling active galactic nuclei (AGN) properties. In this band flux variations occur on short time scales (hours) as well as on larger times scales. While short time scale variability is often investigated in single source studies, only few works are able to explore flux variation on very long time scales.This work provides a statistical analysis of the AGN long term X-ray variability. We study variability on the largest time interval ever investigated for the 0.2-2 keV band, up to $\sim 20$ years rest-frame for a sample of 220 sources. Moreover, we study variability for 2,700 quasars up to $\sim 8$ years rest-frame in the same (soft) band.We build our source sample using the 3XMM serendipitous source catalogue data release 5, and data from ROSAT All Sky Survey Bright and Faint source catalogues. In order to select only AGN we use the Sloan Digital Sky Survey quasar catalogues data releases 7 and 12. Combining ROSAT and XMM-Newton observations, we investigate variability using the structure function analysis which describes the amount of variability as a function of the lag between the observations.Our work shows an increase of the structure function up to 20 years. We do not find evidence of a plateau in the structure function on these long time scales.The increase of the structure function at long time lags suggests that variability in the soft X-rays can be influenced by flux variations originated in the accretion disk or that they take place in a region large enough to justify variation on such long time scales.

연구 동기 및 목표

• 20년에 이르는 휴면 기준 시간 스케일에서 AGN의 장기적 X선 변동성을 통계적으로 특성화하는 것.
• 매우 장기적인 스케일에서 변동성이 포화되는지 여부를 판단하는 것.
• 구조 함수 행동을 분석하여 연한 X선 변동성의 물리적 기원을 조사하는 것.
• 관측된 변동성이 확장된 순환원반 영역 또는 따뜻한 코로나에서 기인한 것인지 평가하는 것.
• 2,864개의 퀘이사로 구성된 대규모이고 통계적으로 신뢰할 수 있는 샘플을 사용하여 개인적인 이상한 소스에 의한 편향을 최소화하는 것.

제안 방법

• XMM-Newton 3XMM-DR5 및 ROSAT 전체천구 조사 밝은/어두운 소스 목록을 사용하여 2,864개의 AGN 샘플을 구성하였다.
• AGN 선별을 보장하기 위해 SDSS 퀘이사 목록(DR7 및 DR12)과 소스를 교차 매칭하였다.
• 관측 간 시간 지연에 따른 변동성 진폭을 정량화하기 위해 구조 함수 분석을 적용하였다.
• ROSAT와 XMM-Newton 간의 장비 감도 차이를 보정하여 일관된 광도 측정을 확보하였다.
• 우주론적 시간 지연를 고려하기 위해 휴면 기준 시간 지연를 사용하여 적색편이에 관계없이 비교 가능하도록 하였다.
• 휴면 기준 약 20년까지의 구조 함수 행동을 분석하여 포화점 또는 계속 증가하는 경향을 탐지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN의 X선 변동성이 장기 스케일에서 포화되는가, 아니면 계속 증가하는가?
• RQ2 관측된 장기적 변동성이 밀도 높은 코로나에서가 아니라 확장된 구조에서 기인한 것인가?
• RQ3 변동성의 시간 스케일이 순환원반 또는 따뜻한 코로나와 같은 방출 영역의 물리적 크기와 관련이 있는가?
• RQ4 연한 X선(0.2–2 keV) 영역에서의 구조 함수 행동은 순환원반 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 20년 지연에서 구조 함수에 포화점이 나타나지 않는 이유를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 휴면 기준 20년까지의 구조 함수는 단조롭게 증가하며, 포화점의 증거가 없다.
• 포화점의 부재는 변동성이 밀도 높은 방출 영역과 관련된 특성 시간 스케일에 의해 제한되지 않는다는 것을 시사한다.
• 관측된 장기적 변동성은 확장된 따뜻한 코로나 또는 외부 순환원반 영역에서 기인한 것으로 일치한다.
• 유도된 변동성 시간 스케일은 특히 10^6–10^9 M☉ 범위의 블랙홀 질량에서 추정된 순환원반 크기와 호환된다.
• 연한 X선 과잉 방출이 넓은 비율의 원반을 덮고 있는 따뜻하고 광학 두꺼운 코로나에서 기인한다는 모델을 지지한다.
• 구조 함수의 계속된 증가에서 변동성 과정이 일반적으로 짧은 간격 모니터링으로 측정되는 것보다 더 긴 시간 스케일에서 작용한다는 것이 암시된다.