[논문 리뷰] CAIXA: a catalogue of AGN in the XMM-Newton archive III. Excess Variance Analysis

G. Ponti, I. E. Papadakis외 6명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2011. 12. 12.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 93인용 수 113

한 줄 요약

이 연구는 XMM-Newton 암흑기록에서 161개의 방사선이 약한, X선으로 막히지 않은 활성은하핵(AGN)에 대한 가장 큰 체계적 초과분산 분석을 제시하며, X선 변동성이 블랙홀 질량(M_BH)과 밀접하게 상관되며, 단일 에포크 광학 방법보다 더 정확한 M_BH 추정치로 사용될 수 있음을 입증한다. 결과는 블랙홀 질량과 연료 공급률에 따라 재조정된 경우 AGN의 변동성이 보편적임을 확인하며, 파wer 스펙트럼 밀도의 진폭은 ṁ^−0.8 비율로 감소함으로써 모든 연료 공급을 받는 블랙홀에 공통된 물리적 엔진이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

We report on the results of the first XMM systematic "excess variance" study of all the radio quiet, X-ray un-obscured AGN. The entire sample consist of 161 sources observed by XMM for more than 10 ks in pointed observations which is the largest sample used so far to study AGN X-ray variability on time scales less than a day. We compute the excess variance for all AGN, on different time-scales (10, 20, 40 and 80 ks) and in different energy bands (0.3-0.7, 0.7-2 and 2-10 keV). We observe a highly significant and tight (~0.7 dex) correlation between excess variance and MBH. The subsample of reverberation mapped AGN shows an even smaller scatter (~0.45 dex) comparable to the one induced by the MBH uncertainties. This implies that X-ray variability can be used as an accurate tool to measure MBH and this method is more accurate than the ones based on single epoch optical spectra. The excess variance vs. accretion rate dependence is weaker than expected based on the PSD break frequency scaling, suggesting that both the PSD high frequency break and the normalisation depend on accretion rate in such a way that they almost completely counterbalance each other. A highly significant correlation between excess variance and 2-10 keV spectral index is observed. Both the variability vs. LBol and FWHM_Hbeta correlations are consistent with being just by-products of the correlation with MBH. The soft and medium variability is very well correlated with the hard variability, suggesting that the additional soft components (i.e. soft excess, warm absorber) add a minor contribution to the total variability. Once the variability is rescaled for MBH and mdot, no significant difference between narrow-line and broad-line Seyfert 1 is observed. The results are in agreement with a picture where, to first approximation, all local AGN have the same variability properties once rescaled for MBH and accretion rate.

연구 동기 및 목표

• 큰 표본을 통해 AGN에서 X선 변동성의 보편적 스케일링을 조사하여, 모든 연료 공급을 받는 블랙홀이 동일한 기초 변동성 엔진을 공유한다는 가설을 검증한다.
• 초과분산이 블랙홀 질량(M_BH)과 연료 공급률(ṁ)과 상관되는지 확인하고, 기존의 광학 방법보다 더 정확하게 M_BH를 추정하는 데 사용될 수 있는지 평가한다.
• 부드러운 초과, 따뜻한 흡수체 등의 스펙트럼 성분이 총 변동성에 기여하는 바를 검토하고, 좁은선과 넓은선 세이프트 1은하핵 간의 차이를 평가한다.
• 반사 맵핑된 AGN와의 비교를 통해 M_BH–변동성 관계의 강건성을 시험하고, 스펙트럼 기울기와 빛의 세기 의존성에 대해 분석한다.

제안 방법

• 10, 20, 40, 80 ks 등의 다양한 시간스케일과 0.3–0.7, 0.7–2, 2–10 keV 등의 에너지 대역에서 161개의 AGN에 대해 체계적으로 초과분산(σ²_rms)을 계산하였다.
• 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 정규화의 대체 지표로 초과분산을 사용하여 M_BH와 연료 공급률(ṁ)에 따른 스케일링을 추론하였으며, σ²_rms ∝ PSD_amp 관계를 활용하였다.
• M_BH와 ṁ에 대한 보정을 적용하여 잔여 의존성 여부를 시험하여, 적절히 재조정된 경우 변동성이 진정으로 보편적인지 확인하였다.
• σ²_rms를 스펙트럼 기울기(Γ), 볼로메트릭 빛의 세기(L_Bol), Hβ의 FWHM와 상관시켜 M_BH 스케일링의 간접 결과인지 여부를 평가하였다.
• 좌현선과 넓은선 세이프트 1 AGN 간의 결과를 비교하여 변동성 행동에 내재된 차이가 있는지 시험하였다.
• 반사 맵핑된 AGN 서브샘플을 사용하여 M_BH–σ²_rms 관계의 타당성을 검증하고 산란 정도 및 신뢰도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN의 X선 빛의 세기 변화에서 초과분산(σ²_rms)은 블랙홀 질량(M_BH)과 밀접하게 상관되며, 이는 신뢰할 수 있는 M_BH 추정치로 사용될 수 있는가?
• RQ2 변동성의 연료 공급률(ṁ)에 대한 의존성은 파워 스펙트럼 밀도의 끊김 주파수 스케일링 이론적 기대와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 σ²_rms와 스펙트럼 기울기, L_Bol, 또는 Hβ의 FWHM 간의 상관관계는 M_BH 의존성과 독립적인가, 아니면 M_BH–변동성 관계의 간접 결과인가?
• RQ4 M_BH와 ṁ를 보정한 후, 좁은선과 넓은선 세이프트 1 AGN는 변동성 특성에서 다름이 있는가?
• RQ5 부드러운 X선 성분(예: 부드러운 초과, 따뜻한 흡수체)이 총 X선 변동성에 기여하는 비율은 얼마이며, 그 기여는 유의미한가?

주요 결과

• 초과분산(σ²_rms)과 블랙홀 질량(M_BH) 사이에는 매우 유의미하고 날카로운 상관관계가 존재하며, 산란 약 0.7 덴(데카드) 수준이며, 반사 맵핑된 서브샘플에서는 산란이 단지 2~3배로 줄어들어 M_BH 추정의 높은 정밀도를 시사한다.
• 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 진폭은 연료 공급률에 따라 PSD_amp ∝ ṁ^−0.8 비율로 스케일링되며, 이는 끊김 주파수의 ṁ에 대한 의존성이 거의 상쇄되어 M_BH로 정규화된 경우 σ²_rms에 대한 ṁ에 대한 순수한 네트워크 의존성이 약해지는 것을 의미한다.
• σ²_rms와 2–10 keV 스펙트럼 기울기 사이에는 매우 유의미한 상관관계(99.99% 이상 신뢰수준)가 확인되었으며, 이는 스펙트럼 기울기가 연료 공급률에 따라 변화함(Γ ∝ ṁ^0.1)을 지지하는 가설을 뒷받침한다.
• σ²_rms와 볼로메트릭 빛의 세기(L_Bol) 및 Hβ의 FWHM 간의 상관관계는 모두 M_BH에 대한 의존성에 의해 완전히 설명되며, 이는 변동성의 독립적 주요 원인이 아니라는 것을 시사한다.
• 부드러운 및 중간 에너지 대역의 초과분산은 하드 밴드(2–10 keV) 초과분산과 밀접하게 상관되며, 일대일 선형관계에서 유의미한 편차 없이 일치하여 부드러운 성분의 총 변동성에 대한 기여가 미미함을 시사한다.
• M_BH와 ṁ에 따라 재조정한 후, 좁은선과 넓은선 세이프트 1 AGN 간의 변동성 특성에 유의미한 차이가 관측되지 않아, 모든 AGN 유형에 걸쳐 보편적인 변동성 엔진이 존재한다는 것을 지지한다.