[논문 리뷰] Multiwavelength campaign on Mrk 509. I. Variability and spectral energy distribution

J. S. Kaastra, Pierre-Olivier Petrucci외 24명|Radboud Repository (Radboud University)|2011. 07. 04.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 117인용 수 39

한 줄 요약

이 Seyfert 1은하 Mrk 509에 대한 다파장 캠페인은 XMM-Newton, INTEGRAL, Chandra, HST, Swift, WHT, PAIRITEL을 활용하여 주파수 기준 50년에 걸친 연속적인 X선 및 자외선 광도 곡선를 확보하였다. 부드러운 X선 대역에서의 광도 60% 증가와 자외선 강화 간의 상관관계를 규명하여 고해상도 분광법과 고정밀 스펙트럼 에너지 분포(SpE)를 통한 연속체 변동성 및 이온화된 외류의 구조에 대한 세부 연구를 가능하게 하였다.

ABSTRACT

(Abridged) Active galactic nuclei show a wealth of interesting physical processes, some of which are poorly understood. We want to address a number of open questions, including the location and physics of the outflow from AGN, the nature of the continuum emission, the geometry and physical state of the X-ray broad emission line region, the Fe-K line complex, the metal abundances of the nucleus and finally the interstellar medium of our own Galaxy. We study one of the best targets for these aims, the Seyfert 1 galaxy Mrk 509 with a multiwavelength campaign using five satellites (XMM-Newton, INTEGRAL, Chandra, HST and Swift) and two ground-based facilities (WHT and PAIRITEL). Our observations cover more than five decades in frequency, from 2 um to 200 keV. The combination of high-resolution spectroscopy and time variability allows us to disentangle and study the different components. Our campaign covers 100 days from September to December 2009, and is centred on a simultaneous set of deep XMM-Newton and INTEGRAL observations with regular time intervals, spanning seven weeks. We obtain a continuous light curve in the X-ray and UV band, showing a strong, up to 60% flux increase in the soft X-ray band during the three weeks in the middle of our deepest monitoring campaign, and which is correlated with an enhancement of the UV flux. This allows us to study the time evolution of the continuum and the outflow. By stacking the observations, we have also obtained one of the best X-ray and UV spectra of a Seyfert galaxy ever obtained. In this paper we also study the effects of the spectral energy distribution (SED) that we obtained on the photo-ionisation equilibrium. Thanks to our broad-band coverage, uncertainties on the SED do not strongly affect the determination of this equilibrium.

연구 동기 및 목표

• 활성 은하핵(AGN) 내 이온화된 외류의 물리적 기원과 구조를 연구하고, 피드백 과정의 맥락에서 이를 탐색하는 것.
• Mrk 509의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 2 μm에서 200 keV에 이르는 사전에 없던 광범위한 밴드 커버리지로 정의하는 것.
• 동시 다기기 관측을 통해 연속체의 시간적 변동성과 외류 역학 간의 연관성을 연구하는 것.
• 가정된 SED와 금속성에 기인한 불확실성에 대비하여 외류 내 광학적 이온화 평형의 안정성을 평가하는 것.
• AGN의 X선 및 자외선 방출 영역에서의 물리적 조건—이온화 매개변수, 열역학적 밀도, 금속성—을 제약하는 것.

제안 방법

• 다섯 대의 인체위성 천체망원경(XMM-Newton, INTEGRAL, Chandra, HST, Swift)과 두 대의 지상 기반 시설(WHT, PAIRITEL)을 활용한 100일간의 다파장 모니터링 캠페인을 수행하였다.
• XMM-Newton와 INTEGRAL 간의 일곱 주에 걸친 동시 깊은 관측을 통해 고주기 광도 곡선를 구축하였다.
• 고신호 대비 비율의 스택된 XMM-Newton RGS 스펙트럼과 고해상도 HST/COS 근자외선 스펙트럼을 제작하여 세부적인 스펙트럼 분석을 수행하였다.
• SED를 2 μm에서 200 keV까지 연속적으로 구성하여 광학적 이온화 모델링의 불확실성을 최소화하였다.
• 광학적 이온화 모델(CLOUDY)을 사용하여 다양한 SED 및 금속성 가정 하에 이온화 구조와 냉각 곡선를 계산하였다.
• 태양 금속성과 3배 태양 금속성의 경우를 비교하여 유도된 파rameter의 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mrk 509에서 관측된 부드러운 X선 및 자외선 변동성의 원인은 무엇이며, 이 두 대역 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ2 가정된 SED와 금속성에 기인한 불확실성에 대비하여 외류 기체 내 광학적 이온화 평형은 얼마나 안정적인가?
• RQ3 Mrk 509의 X선 넓은 선 영역에서의 이온화 구조, 속도 및 열역학적 밀도는 어떠한가?
• RQ4 외류 기체의 물리적 조건(이온화도, 밀도, 금속성)이 관측된 X선 및 자외선 스펙트럼 특징에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 SED의 불확실성이 이온화 외류의 유도된 물리적 파라미터에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3주 동안의 기간 동안 부드러운 X선 대역에서 광도가 60% 증가하였고, 이는 동시에 자외선 광도 증가와 상관관계를 보였으며, 이는 원반 또는 코로나 내에서 공통된 기원을 지닌 것으로 나타났다.
• 스택된 XMM-Newton RGS 스펙트럼은 Seyfert 은하계에서 기록된 바 가장 높은 신호 대비 비율을 확보하여 정밀한 스펙트럼 모델링이 가능하였다.
• 외류 내 광학적 이온화 평형은 가정된 SED 및 금속성의 불확실성에 대해 강건하였으며, 이온화 구조에 미치는 영향은 미미하였다.
• 3배 태양 금속성의 경우 냉각 곡선에서 약간 더 큰 불안정한 분지가 나타났는데, 이는 선 냉각 강화로 인한 것이며, 수소 열역학적 밀도를 제외하고는 이온화 매개변수에 거의 영향을 주지 않았다.
• SED 및 금속성의 변화에 대비하여 외류의 이온화 구조는 안정적이었으며, 향후 논문의 후속 모델링에 대한 신뢰성을 확인하였다.
• 2 μm에서 200 keV까지의 포괄적인 SED 커버리지로 광학적 이온화 모델링의 체계적 오차를 최소화하였고, 외류의 물리적 상태에 대한 고정밀 제약 조건을 확보하였다.