[논문 리뷰] Multiwavelength campaign on Mrk 509 VII. Relative abundances of the warm absorber

K. C. Steenbrugge, J. S. Kaastra외 15명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 61인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 멀티웨이브벨ength 캠프aign 동안 획득한 고해상도 XMM-Newton RGS 및 Chandra LETGS 스펙트럼을 사용하여, Seyfert 1은어 Mrk 509의 웜 애버저버에서 산소에 대한 탄소, 질소, neon, 마그네슘, 실리콘, calcium, 철의 정밀한 상대 농도를 결정한다. 대부분의 원소들이 프로토-태양계 농도 비율을 나타내며, 황은 약간 부족한 것으로 나타나, AGN 환경에서의 핵분해 과정에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Context. The study of abundances in the nucleus of active galaxies allows us to investigate the evolution of abundance by comparing local and higher redshift galaxies. However, the methods used so far have substantial drawbacks or rather large uncertainties. Some of the measurements are at odds with the initial mass function derived from the older stellar population of local elliptical galaxies. Aims. We determine accurate and reliable abundances of C, N, Ne, and Fe relative to O from the narrow absorption lines observed in the X-ray spectra of Mrk 509. Methods. We use the stacked 600 ks XMM-Newton RGS and 180 ks Chandra LETGS spectra. Thanks to simultaneous observations with INTEGRAL and the optical monitor on-board XMM-Newton for the RGS observations and HST-COS and Swift for the LETGS observations, we have an individual spectral energy distribution for each dataset. Owing to the excellent quality of the RGS spectrum, the ionisation structure of the absorbing gas is well constrained, allowing for a reliable abundance determination using ions over the whole observed range of ionisation parameters. Results. We find that the relative abundances are consistent with the proto-solar abundance ratios: C/O = 1.19$\pm$0.08, N/O = 0.98$\pm$0.08, Ne/O = 1.11$\pm$0.10, Mg/O = 0.68$\pm$0.16, Si/O = 1.3$\pm$0.6, Ca/O = 0.89$\pm$0.25, and Fe/O = 0.85$\pm$0.06, with the exception of S, which is slightly under-abundant, S/O = 0.57$\pm$0.14. Our results, and their implications, are discussed and compared to the results obtained using other techniques to derive abundances in galaxies.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 X선 스펙트로스코피를 사용하여 Mrk 509의 웜 애버저버에서 핵심 원소(C, N, Ne, Fe 등)의 정확하고 신뢰할 수 있는 상대 농도를 결정하기.
• 이전 방법에서 발생하는 큰 불확도 또는 체계적 편향으로 인해 발생하는 농도 측정의 모순을 해결하기.
• 유도된 농도를 프로토-태양계 비율과 비교하고, 다른 천체물리적 환경의 농도와 비교하여 탄생 역사와 핵반응 과정을 추론하기.
• 흡수 측정 분포 모델링과 유사한 AGN에서 독립적인 농도 측정과의 교차 검증을 통해 결과의 신뢰성을 검증하기.
• 고적색 이동 퀘이사에서 넓은 발광선 기반의 농도 결정 방법이 공명 산란에 의해 왜곡될 수 있음을 평가하기.

제안 방법

• 600 ks의 XMM-Newton RGS 및 180 ks의 Chandra LETGS 스펙트럼을 통합하여 웜 애버저버의 좁은 X선 흡수선을 분석하였다.
• INTEGRAL, XMM-Newton 옵티컬 모니터, HST-COS, Swift의 동시 멀티웨이브벨렝스 관측을 통해 각 데이터셋에 대한 개별 스펙트럼 에너지 분포를 확보하였다.
• RGS의 고해상도로 인해 흡수 기체의 이온화 구조가 잘 제약되었으며, 이는 다양한 이온화 매개변수 범위에서 신뢰할 수 있는 농도 결정을 가능하게 하였다.
• 탄소, 질소, neon, 마그네슘, 실리콘, 황, calcium, 철의 여러 이온화 상태에서 관측된 흡수선의 상대 농도를 산소 기준으로 피팅하여 농도 비율을 유도하였다.
• 특히 실리콘과 calcium처럼 정밀도가 낮은 원소의 경우, 흡수 측정 분포(AMD) 모델링을 적용하여 농도 결과를 검증하였다.
• 결과는 Mrk 279의 UV 스펙트럼에서의 절대 농도 측정치와 비교되었으며, 지역 타원은피성 은하, 은하단 중심부, 그리고 퀘이사의 넓은 발광선과 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mrk 509의 웜 애버저버에서 산소에 대한 탄소, 질소, neon, 마그네슘, 실리콘, calcium, 철의 상대 농도는 각각 얼마인가?
• RQ2 유도된 농도 비율이 프로토-태양계 비율과 일치하는가? 그렇지 않다면, 이들의 편차는 핵합성 과정에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 Mrk 509의 농도 비율은 다른 AGN, 지역 은하, 은하간 매질과 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 고적색 이동 퀘이사에서 넓은 발광선 기반의 농도 결정 방법은 어느 정도 공명 산란 효과로 인해 왜곡되는가?
• RQ5 농도 패턴은 흡수 기체의 기원과 진화를 어떻게 드러내는가—특히 이 기체가 순환 디스크나 토러스에서 유래했는가?

주요 결과

• Mrk 509의 웜 애버저버에서의 상대 농도 비율은 프로토-태양계 값과 일치한다: C/O = 1.19 ± 0.08, N/O = 0.98 ± 0.08, Ne/O = 1.11 ± 0.10, Mg/O = 0.68 ± 0.16, Si/O = 1.3 ± 0.6, Ca/O = 0.89 ± 0.25, Fe/O = 0.85 ± 0.06.
• 황은 프로토-태양계 비율 대비 약간 부족한 것으로 나타나, S를 포함하는 핵합성 기여가 부족할 가능성을 시사한다: S/O = 0.57 ± 0.14.
• 은하단 중심부와 비교했을 때, O/Fe, Ne/Fe, Si/Fe, S/Fe, Ca/Fe 비율이 높아, Mrk 509의 은하간 매질을 뒷받침하는 핵심적인 역할을 하는 초신성의 중심 붕괴 및 항성 바람이 지배적임을 시사한다.
• Mrk 509의 Mg/Fe 및 Si/Fe 비율은 지역 타원은피성 은하의 뜨거운 할로 이매터리스퍼스 매질(Hot Halo ISM)에서 관측된 값과 일치하지만, O/Fe는 뜨거운 ISM보다 높다.
• X선 흡수선에서 유도된 농도 비율은 UV 흡수선으로 측정된 Mrk 279의 절대 농도와 일치하여, 이 방법의 신뢰성을 뒷받침한다.
• 고적색 이동 퀘이사에서 넓은 발광선 기반의 농도 결정 방법은 공명 산란으로 인해 Lyα 광자가 왜곡되어 N v 선형의 왜곡이 발생하고, 이로 인해 농도 추정치가 편향됨을 발견하여 신뢰할 수 없다.