[논문 리뷰] Anatomy of the AGN in NGC 5548 VIII. XMM-Newton's EPIC detailed view of an unexpected variable multilayer absorber

M. Cappi, Barbara De Marco외 22명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 108인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 2013년 다중 파장 캠페인 동안 XMM-Newton EPIC을 이용한 NGC 5548에 대한 상세한 분석을 제시하며, 시야선 상의 냉각 기체와 경미하게 이온화된 기체로 구성된 변동성이 있는 다층 투명도체가 존재함을 밝혀냈다. 이 투명도체의 기체 열량 밀도와 커버링 인자 변화는 동적인, 외부로 향하는 바람에 의해 유도되며, 대부분의 연한 X선 스펙트럼 변화를 설명한다. 추가로 고이온화 성분이 존재할 가능성은 약간의 증거만을 보이며.

ABSTRACT

In 2013 we conducted a large multi-wavelength campaign on the archetypical Seyfert 1 galaxy NGC 5548. Unexpectedly, this usually unobscured source appeared strongly absorbed in the soft X-rays during the entire campaign, and signatures of new and strong outflows were present in the almost simultaneous UV HST/COS data. Here we carry out a comprehensive spectral analysis of all available XMM-Newton observations of NGC 5548 (for a total of ~763 ks) in combination with 3 simultaneous NuSTAR obs. We obtain a best-fit composed by i) a weakly varying flat (Gamma~1.5-1.7) power-law component; ii) a constant, cold reflection (FeK + continuum) component; iii) a soft excess, possibly due to thermal Comptonization; and iv) a constant, ionized scattered emission-line dominated component. Our main findings are that, during the 2013 campaign, the first 3 of these components appear to be partially covered by a heavy and variable obscurer located along the l.o.s. that is consistent with a multilayer of cold and mildly ionized gas. We characterize in detail the short timescale (~ks-to-days) spectral variability of this new obscurer, and find it is mostly due to a combination of Nh and Cf variations, on top of intrinsic power-law variations. In addition, our best-fit spectrum is left with several (but marginal) absorption features at rest-frame energies ~6.7-6.9 keV and ~8 keV, as well as a weak broad emission line feature redwards of the 6.4 keV emission line. These could indicate a more complex underlying model, e.g. a P-Cygni-type profile if allowing for a large velocity and wide-angle outflow. These findings are consistent with a picture where the obscurer represents the manifestation along the l.o.s. of a multilayer of gas that is likely outflowing at high speed, and simultaneously producing heavy obscuration and scattering in the X-rays and broad absorption features in the UV.

연구 동기 및 목표

• 2013년 다중 파장 캠페인 동안 NGC 5548에서 관측된 강력한 연한 X선 흡수의 기원과 변동성 이해.
• X선 스펙트럼에서 관측된 놀라운 변동성 투명도체의 물리적 성질 기술.
• X선 흡수 현상이 HST/COS 데이터에서 관측된 자외선 폭넓은 흡수선과 물리적으로 연관되어 있는지 확인.
• 부분 커버링과 이온화 구조가 X선 연속 스펙트럼과 변동성에 미치는 영향 평가.
• 복잡한 외부 흐름 또는 반사 성분을 암시하는 추가 스펙트럼 특징 존재 여부 탐색.

제안 방법

• 총 약 763ks의 14개 XMM-Newton EPIC 관측과 동시에 수행된 3개의 NuSTAR 관측 데이터를 통합하여 종합적인 스펙트럼 피팅 수행.
• 평탄한 파wer-라인(Γ ≈ 1.5–1.7), 일정한 냉각 반사 성분, 열적 콜드먼-컴프턴화에 의해 발생할 수 있는 연한 과잉 성분, 이온화된 산산조각난 방출선 성분을 사용하여 X선 연속 스펙트럼 모델링.
• 스펙트럼 변화를 설명하기 위해 냉각 기체와 경미하게 이온화된 기체로 구성된 다층 부분 커버링 투명도체 모델 적용.
• 기본적으로 수킬로초에서 수일 단위의 시간 스케일에서 기체 열량 밀도와 커버링 인자의 변화를 중심으로 시간에 따른 스펙트럼 분석을 통해 변동성 정량화.
• 잔차 분석 및 모델 비교를 통해 추가 특징(예: Fe K밴드 흡수/방출) 존재 여부 검증.
• UV 데이터(HST/COS)의 제약 조건을 활용하여 X선 투명도체와 외부 흐름 기체 간의 물리적 연관성 강화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2013년 캠페인 동안 NGC 5548에서 관측된 강력하고 변동성이 있는 연한 X선 흡수의 원인은 무엇인가?
• RQ2 HST/COS 데이터에서 관측된 자외선 폭넓은 흡수선과 X선 투명도체는 물리적으로 연관되어 있는가?
• RQ3 관측된 X선 스펙트럼의 변동성은 다층 투명도체의 기체 열량 밀도와 커버링 인자의 변화로 설명될 수 있는가?
• RQ4 Fe K밴드에서 추가적인 스펙트럼 특징(예: P-Cygni형 프로파일 또는 고이온화 외부 흐름)이 존재하는가?
• RQ5 변동성이 있는 투명도체의 기원은 순환 디스크 바람, 토러스, 또는 기타 외부 흐름 기구인가?

주요 결과

• NGC 5548의 연한 X선 변동성은 주로 냉각 기체와 경미하게 이온화된 기체로 구성된 다층 투명도체의 시간에 따른 기체 열량 밀도와 커버링 인자의 변화에 의해 주로 유도된다.
• 내재된 X선 연속 스펙트럼(파워-라인 및 반사 성분)은 빛의 세기와 스펙트럼 기울기에서 거의 일정하게 유지되었으며, 이는 변동성이 주로 차폐 매체에 의해 결정됨을 시사한다.
• 투명도체는 수년간 지속되며 자외선 외부 흐름과 상관관계를 보이므로, 대규모의 비균일하고 외부로 향하는 구조로 간주되며, 주로 순환 디스크 바람에서 기인할 가능성이 높다.
• ~6.7–6.9 keV 부근에서 약간의 흡수 특징과 6.4 keV 이외의 붉은편으로 이격된 약한 방출 특징은 P-Cygni형 프로파일 또는 추가적인 고이온화 외부 흐름을 암시할 수 있다.
• X선 데이터로부터 X선 투명도체의 속도는 직접 측정할 수 없었지만, 동시에 관측된 자외선 폭넓은 흡수선(V ~ 5000 km/s)과의 동시성은 고속 외부 흐름과의 물리적 연관성을 지지한다.
• 교정 불확실성으로 인해 추가 스펙트럼 특징의 유의미성은 제한되지만, 향후 천체망원경(Athena) 같은 미션을 통해 투명도체의 복잡한 구조를 명확히 밝혀내야 한다.