[논문 리뷰] Multiwavelength campaign on Mrk 509: Reverberation of the Fe Kalpha line

G. Ponti, M. Cappi외 18명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 03.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 96인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 10회 반복된 XMM-Newton 모니터링 캠페인을 통해 블랙홀 주변의 높은 에너지 X선 연속스펙트럼에 대한 반사 응답을 측정하여, Seyfert 1은행성 Mrk 509에서 분해된 Fe K𝛼 선 성분의 첫 번째 직접 반향 시간 측정을 수행한다. 연구는 선이 연속스펙트럼의 변화에 대해 측정 가능한 지연 없이 반응함을 발견하여, 블랙홀에서 약 1000 gravitational radii(r_g) 이내의 영역에서 발생하는 것으로 나타내며, 이는 약 80일 빛의 거리에 위치한 내부 넓은선영역과 일치한다. 반면, 붉은 이동된 날개가 관측되지 않음으로써 최소한 ≥40 r_g 이상의 반경이 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We report on a detailed study of the Fe K emission/absorption complex in the nearby, bright Seyfert 1 galaxy Mrk 509. The study is part of an extensive XMM-Newton monitoring consisting of 10 pointings (~60 ks each) about once every four days, and includes also a reanalysis of previous XMM-Newton and Chandra observations. Mrk 509 shows a clear (EW=58 eV) neutral Fe Kalpha emission line that can be decomposed into a narrow (sigma=0.027 keV) component (found in the Chandra HETG data) plus a resolved (sigma=0.22 keV) component. We find the first successful measurement of a linear correlation between the intensity of the resolved line component and the 3-10 keV flux variations on time-scales of years down to a few days. The Fe Kalpha reverberates the hard X-ray continuum without any measurable lag, suggesting that the region producing the resolved Fe Kalpha component is located within a few light days-week (r40 rg for its distance from the BH. The Fe Kalpha could thus be emitted from the inner regions of the BLR, i.e. within the ~80 light days indicated by the Hbeta line measurements. In addition to these two neutral Fe Kalpha components, we confirm the detection of weak (EW~8-20 eV) ionised Fe K emission. This ionised line can be modeled with either a blend of two narrow FeXXV and FeXXVI emission lines or with a single relativistic line produced, in an ionised disc, down to a few rg from the BH. Finally, we observe a weakening/disappearing of the medium and high velocity high ionisation Fe K wind features found in previous XMM-Newton observations. This campaign has made possible the first reverberation measurement of the resolved component of the Fe Kalpha line, from which we can infer a location for the bulk of its emission at a distance of r~40-1000 rg from the BH.

연구 동기 및 목표

• Mrk 509에서 Fe K𝛼 발광 및 흡수 성분의 기원과 공간적 위치를 이해하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 스펙트럼 분석을 통해 블랙홀 근처의 X선 재방사 영역의 기하학적 구조와 역학을 규명하기 위해.
• Fe K𝛼 선이 연속스펙트럼 변화에 대해 측정 가능한 시간 지연을 보이는지 여부를 검증하여, X선 재방사 영역의 반향 맵핑을 가능하게 하기 위해.
• 이온화된 Fe K 발광의 기원에 대한 경쟁 모델(원거리 산란 대비 고도로 이온화된 내부 디스크에서의 상대론적 발광)을 구분하기 위해.
• 600-ks 모니터링 캠페인 동안 고속도, 고도로 이온화된 Fe K 흡수 외류의 변동성과 진화를 조사하기 위해.

제안 방법

• 일주일에 약 4회 간격으로 약 60 ks의 포인팅을 포함한 10회 반복 XMM-Newton 모니터링 캠페인을 수행하여, 일일에서 연간 단위의 변동성을 캡처하였다.
• 단기(일일) 및 장기(연간) 변동성에 대해 시간에 따라 변화하는 스펙트럼 분석을 수행하였으며, 에너지 의존성 변동성을 탐지하기 위해 모델에 의존하지 않는 rms 스펙트럼도 분석하였다.
• 3–10 keV 연속스펙트럼 유량과 분리된 Fe K𝛼 선 성분 간의 상관관계를 측정하여 연속스펙트럼과 선의 반응 사이의 시간 지연을 유추하였다.
• 상대론적 반사 모델을 사용하여 Fe K𝛼 선 프로파일을 피팅하였으며, 블랙홀에 가까이서 발생하는 발광을 나타내는 넓고 비대칭적인 성분이 존재하는지 검증하였다.
• 기존의 XMM-Newton 및 Chandra 관측 데이터를 재분석하여 스펙트럼 커버리지 개선과 중성 및 이온화된 선 성분의 제약 조건을 강화하였다.
• Fe K 대역의 흡수 특징의 유의성을 통계적 기준(예: >3σ)을 사용하여 평가하였으며, 다양한 관측 에포크 간의 강도를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe K𝛼 선의 반향 반응을 통해, Mrk 509에서 분리된 Fe K𝛼 선 발광의 공간적 위치는 무엇인가? 이는 딱딱한 X선 연속스펙트럼에 대한 반응으로 유추된다.
• RQ2 Fe K𝛼 선은 연속스펙트럼에 대해 측정 가능한 시간 지연를 보이며, 이는 블랙홀에서의 재방사 영역의 거리에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 약한 이온화된 Fe K 발광의 기원은 무엇인가? 원거리 산만한 산란인지, 고도로 이온화된 내부 디스크에서의 상대론적 발광인가?
• RQ4 이전 XMM-Newton 데이터에서 관측된 고도로 이온화된 고속도 Fe K 흡수 특징이 2009년 캠페인에서는 현저히 약하거나 존재하지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 붉은 이동 날개가 관측되지 않음과 측정된 선의 넓이가 재방사 물질의 내부 반경에 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• 분리된 Fe K𝛼 선 성분(σ = 0.22 keV)은 일일에서 연간 단위의 시간 스케일에서 3–10 keV 연속스펙트럼 유량과 선형 상관관계를 보이며, 측정 가능한 시간 지연가 없어, 블랙홀에서 약 1000 r_g 이내의 재방사 영역에서 발생함을 시사한다.
• Fe K𝛼 선에 붉은 이동 날개가 관측되지 않음으로써, 발광 영역의 최소 반경이 ≥40 r_g 이상이어야 함을 의미하며, 매우 내부 디스크에서의 발광을 배제한다.
• Fe K𝛼 선은 좁은 성분(σ = 0.027 keV)과 넓은 성분(σ = 0.22 keV)의 중성 성분으로 구성되어 있으며, 후자가 반향 반응에서 지배적이다.
• 이온화된 Fe K 발광(EW ≈ 8–20 eV)은 고도로 이온화된 디스크에서 발생하는 단일 상대론적 선으로 가장 잘 설명되며, 이는 블랙홀의 높은 Eddington 비율과 일치한다.
• 이전에 약 4σ의 유의성으로 관측된 고도로 이온화되고 중간 속도(v ≈ 0.048c)인 Fe K 흡수 성분은 이제 현저히 약해졌거나(ew = -3.2+2.6/-2.8 eV) 존재하지 않아, 외류의 강력한 변동성을 시사한다.
• 600-ks의 2009년 캠페인 동안 고속도(v ~ 0.05–0.2c)의 Fe K 흡수체에 대한 확실한 증거는 발견되지 않았다. 이는 이전 300-ks 누적 관측에서 관측된 바와는 상반되며, 외류 물질의 강력한 변동성을 시사한다.