[논문 리뷰] Multiwavelength campaign on Mrk 509 VIII. Location of the X-ray absorber

J. S. Kaastra, R. G. Detmers외 15명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 09.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 30인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 Mrk 509에서 XMM-Newton와 Swift를 이용한 다파장 관측 캠프를 통해 시간에 따라 변화하는 광학적 이온화 모델링을 이용해 X선 투과 가스의 위치를 제약한다. 다섯 개의 이온화 성분(C–E)의 변화를 분석함으로써 신뢰할 수 있는 거리 한계를 도출한다: 성분 C는 >70 pc, D는 5–33 pc, E는 >5 pc이지만 <21–400 pc이며, 주요 느린 난류는 블랙홀 근처가 아니라 좁은선영역 또는 토루스에 위치함을 시사한다.

ABSTRACT

The bright Seyfert 1 galaxy Mrk 509 was monitored by XMM-Newton and other satellites in 2009 to constrain the location of the outflow. We have studied the response of the photoionised gas to changes in the ionising flux produced by the central regions. We used the 5 discrete ionisation components A-E detected in the time-averaged spectrum taken with the RGS. Using the ratio of fluxed EPIC and RGS spectra, we put tight constraints on the variability of the absorbers. Monitoring with the Swift satellite started 6 weeks before the XMM-Newton observations, allowing to use the ionising flux history and to develop a model for the time-dependent photoionisation. Components A and B are too weak for variability studies, but the distance for component A is known from optical imaging of the [O III] line to be ~3 kpc. During the 5 weeks of the XMM-Newton observations we found no evidence of changes in the 3 X-ray dominant ionisation components C-E, despite a huge soft X-ray intensity increase of 60% in the middle of our campaign. This excludes high-density gas close to the black hole. Instead, using our time-dependent modelling, we find low density and derive firm lower limits to the distance of these components. Component D shows evidence for variability on longer time scales, yielding an upper limit to the distance. For component E we derive an upper limit to the distance based on the argument that the thickness of the absorbing layer must be less than its distance to the black hole. Combining these results, at the 90% confidence level, component C has a distance of &gt;70 pc, component D between 5-33 pc, and component E &gt;5 pc but smaller than 21-400 pc, depending upon modelling details. These results are consistent with the upper limits from the HST/COS observations of our campaign and point to an origin of the dominant, slow (v&lt;1000 km/s) outflow components in the NLR or torus-region of Mrk 509.

연구 동기 및 목표

• Seyfert 1 은하 Mrk 509의 X선 투과 가스의 공간적 위치를 규명함으로써 AGN 난류 물리학을 이해하는 데 핵심적인 정보를 제공한다.
• 시간에 따라 변화하는 X선 및 자외선 변화를 이용해 광학적 이온화 모델에서 밀도와 거리의 다중해석 문제를 해결한다.
• 주요 느린 난류(v < 1000 km s⁻¹)가 내부의 적축 디스크가 아니라 좁은선영역(NLR) 또는 토루스에서 기인하는지 테스트한다.
• 향상된 모델링과 스펙트럼 비율을 이용해 이전 연구에서 도출된 모순되는 거리 추정치를 조율한다.
• 다시 측정된 데이터와 시간에 따라 변화하는 광학적 이온화 모델을 이용해 이온화 성분 C, D, E의 거리에 대해 엄격한 하한 및 상한을 제시한다.

제안 방법

• Mrk 509에 대해 5주간의 XMM-Newton 모니터링 캠프를 실시하였으며, 이온화 복사율 역사 재구성을 위해 6주 전의 Swift 관측을 보완하였다.
• EPIC-pn 및 RGS 스펙트럼의 비율을 사용하여 X선 투과체의 변화를 고립시키며, 효과적 면적 캘리브레이션에 의한 체계적 오차를 최소화하였다.
• 시간에 따라 변화하는 광학적 이온화 모델을 적용하여 이온화 복사율 변화에 대한 가스 성분의 반응을 시뮬레이션하였으며, 핵심 제약 조건으로 이온화 매개변수 ξ = L/(n r²)를 사용하였다.
• 비활성 준위에서 발생하는 밀도 민감도가 높은 전이를 이용해 재결합 시간 상수를 계산하였으며, Fe xii에 의존하는 것에서 벗어나 기울기를 유도하는 것을 방지하였다.
• X선 변화, 자외선 변화( Kriss et al. 2011 참조), 기하학적 고려사항(예: 성분 E의 경우 두께 < 거리)을 통합하여 거리 한계를 도출하였다.
• 2000–2001년 및 2005–2006년 기간의 암시적 XMM-Newton 데이터를 이용해 장기적 변화를 평가하고 상한 거리 한계를 정밀화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mrk 509의 주요 X선 투과 성분(C, D, E)의 거리는 얼마이며, 중심 블랙홀과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 2009년 캠프 동안의 X선 변화는 연속적인 소프트 X선 복사율 증가(60%)를 고려할 때 투과 가스의 위치를 제약할 수 있는가?
• RQ3 이전에 Fe xii 재결합 시간 상수를 기반으로 한 추정치가 왜 비현실적으로 짧은 거리(예: 0.5 pc)를 도출하는가? 이 문제를 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ4 관측된 변화 시간 상수와 이온화 상태 변화는 내부 디스크가 아니라 NLR 또는 토루스 영역에 위치함을 지지하는가?
• RQ5 유도된 거리 한계는 빠른 난류의 자외선 변화(예: Kriss et al. 2011) 및 광학적 [O iii] 영상으로부터의 독립적 제약과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 성분 C는 >70 pc의 엄격한 하한을 가지며, 중심 엔진에서 멀리 떨어져 있어 NLR 또는 토루스 영역과 일치함을 시사한다.
• 성분 D는 변화 시간 상수와 장기적 암시적 데이터와의 일치를 바탕으로 5–33 pc의 거리 범위로 제약된다.
• 성분 E는 >5 pc의 하한과 21–400 pc의 상한을 가지며, 모델 가정에 따라 달라지며, 상한은 투과체 두께가 거리보다 작아야 한다는 기하학적 제약에서 유도된다.
• 이전 추정치의 괴리(예: Fe xii 재결합으로부터 유도된 0.5 pc)는 Fe xii가 복사율 변화에 민감하지 않아 인위적으로 긴 재결합 시간 상수와 낮은 거리 추정치를 유도하기 때문임을 밝혀냈다.
• 2005년과 2006년 사이 성분 D와 E의 관측된 변화는 약 2.5σ의 변화와 일치하지만, 향상된 모델링으로 유도된 약 ~15 pc의 상한은 기하학적 제약에서 유도된 21–400 pc 상한과 일치한다.
• 모든 거리 한계는 Kriss et al. 2011에서 유도된 빠른 난류의 자외선 변화로부터 유도된 250 pc 이내의 상한과 완전히 일치하며, 느린 성분과 빠른 성분이 서로 다른 기원을 가진 다성분 난류 시나리오를 지지한다.