[논문 리뷰] Multiwavelength campaign on Mrk 509 XII. Broad band spectral analysis

Pierre-Olivier Petrucci, S. Paltani외 13명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 28.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 70인용 수 72

한 줄 요약

이 연구는 2009년 10월/11월에 실시된 10회의 관측 캠프를 통해 XMM-Newton와 INTEGRAL 데이터를 이용하여, 브로드밴드 스펙트럼 분석을 동시에 수행한 세이프트 1은하계 Mrk 509에 대해 수행되었다. 이 연구는 이중 코로나 모델을 규명하였으며, 주로 고온·광학적으로 얇은 코로나(kT ~ 100 keV, τ ~ 0.5)가 주요 X선 연속스펙트럼을 생성하고, 따뜻하고 광학적으로 두꺼운 플라즈마(kT ~ 1 keV, τ ~ 10–20)가 연한 X선 과잉을 담당한다. 후자는 R_tr ~ 10–20 R_g 근처의 적응원반 위에 판상형 층으로 형성되어 있을 가능성이 있으며, 이는 연한 X선 과잉의 약한 휘도 의존성과 일치한다.

ABSTRACT

(Abridged) The simultaneous UV to X-rays/gamma rays data obtained during the multi-wavelength XMM/INTEGRAL campaign on the Seyfert 1 Mrk 509 are used in this paper and tested against physically motivated broad band models. Each observation has been fitted with a realistic thermal comptonisation model for the continuum emission. Prompted by the correlation between the UV and soft X-ray flux, we use a thermal comptonisation component for the soft X-ray excess. The UV to X-rays/gamma-rays emission of Mrk 509 can be well fitted by these components. The presence of a relatively hard high-energy spectrum points to the existence of a hot (kT~100 keV), optically-thin (tau~0.5) corona producing the primary continuum. On the contrary, the soft X-ray component requires a warm (kT~1 keV), optically-thick (tau~15) plasma. Estimates of the amplification ratio for this warm plasma support a configuration close to the "theoretical" configuration of a slab corona above a passive disk. An interesting consequence is the weak luminosity-dependence of its emission, a possible explanation of the roughly constant spectral shape of the soft X-ray excess seen in AGNs. The temperature (~ 3 eV) and flux of the soft-photon field entering and cooling the warm plasma suggests that it covers the accretion disk down to a transition radius $R_{tr}$ of 10-20 $R_g$. This plasma could be the warm upper layer of the accretion disk. On the contrary the hot corona has a more photon-starved geometry. The high temperature ($\sim$ 100 eV) of the soft-photon field entering and cooling it favors a localization of the hot corona in the inner flow. This soft-photon field could be part of the comptonised emission produced by the warm plasma. In this framework, the change in the geometry (i.e. $R_{tr}$) could explain most of the observed flux and spectral variability.

연구 동기 및 목표

• 동시 다중파장 관측을 통해 Mrk 509의 브로드밴드 X선에서 자외선 스펙트럼의 물리적 성분을 분리하는 것.
• 세이프트 은하계에서 연한 X선 과잉과 고에너지 절단 위치의 기원에 대한 오랫동안 지속된 애매함을 해결하는 것.
• 고품질의 동시 관측 데이터에 대해 물리적으로 타당한 스펙트럼 모델—특히 열적 콤파튼화, 따뜻한 흡수체, 반사 성분—을 시험하는 것.
• 스펙트럼 피팅과 휘도 균형 분석을 통해 뜨거운 및 따뜻한 코로나 플라즈마의 기하학적 구조와 물리적 조건을 제약하는 것.
• 특히 뜨거운 코로나와 따뜻한 플라즈마 간의 상호작용을 조사하여, 그 상대적인 기하학적 배열이 스펙트럼 변화와 연한 X선 과잉의 일정한 스펙트럼 형태를 어떻게 설명할 수 있는지 탐구하는 것.

제안 방법

• 2009년 10월/11월에 실시된 10개의 에포크 동안 XMM-Newton와 INTEGRAL 관측 데이터를 이용해 동기 브로드밴드 스펙트럼 피팅을 수행하였다.
• 뜨거운 전자에 의한 연한 시드 광자들의 열적 콤파튼화를 묘사하기 위해 nthcomp 모델을 사용하였으며, kT 및 광학적 두께 τ를 매개변수로 삼았다.
• 이전의 고정밀 연구 기반으로 Mrk 509에 대한 따뜻한 흡수체 및 반사 성분을 통합하였다.
• 콤파튼 과정에서의 광자 보존 원리를 적용하여, 시드 광자 휘도(L_s)와 코로나의 총 휘도(L_tot)를 추정하였으며, 관측된 복사율에 기반해 식 (4)–(14)를 적용해 L_s와 L_h를 유도하였다.
• 복사 평형 방정식(Eq. 15–17)을 적용하여 가열/냉각 비율(L_h / L_s)을 계산하고, 연한 플라즈마 내 에너지 균형을 추론하였다.
• 다양한 콤파튼화 모델(compst, comptt, eqpair) 간의 결과 비교를 통해 모델 가정에 대한 민감도를 평가하고 모델의 강건성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mrk 509에서 연한 X선 과잉의 물리적 기원은 무엇이며, 주요 경량 X선 연속스펙트럼과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 연한 X선 과잉을 생성하는 따뜻한 플라즈마의 온도, 광학적 두께, 기하학적 배열은 무엇이며, 이는 이론적 기대와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 뜨거운 코로나의 기하학적 배열은 따뜻한 플라즈마와 어떻게 다를까? 이는 스펙트럼 변화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 왜 연한 X선 과잉의 스펙트럼 형태는 다양한 휘도에서 거의 일정한가? 이는 플라즈마 기하학적 배열로 설명될 수 있는가?
• RQ5 따뜻한 플라즈마 내에서 가열과 냉각 간의 에너지 균형은 어떠한가? 이는 코로나가 적응원반과 상대적으로 어디에 위치해 있는지를 제약하는가?

주요 결과

• Mrk 509의 연한 X선 과잉은 적응원반 위에 위치한 따뜻하고 광학적으로 두꺼운 플라즈마(kT ~ 1 keV, τ ~ 10–20)에 의해 가장 잘 설명된다.
• 따뜻한 플라즈마는 이론 모델과 일치하는 판상형 구성과 유사하며, 전이 반경 R_tr ~ 10–20 R_g로, 이는 연한 X선 과잉의 약한 휘도 의존성을 설명한다.
• 뜨거운 코로나는 매우 밀도가 높고 광자 부족 상태이며, kT ~ 100 keV, 광학적 두께 τ ~ 0.5로, 내부 유동에 국한되어 있음을 시사한다.
• 뜨거운 코로나를 냉각시키는 연한 광자장의 온도는 약 3 eV로, 이는 따뜻한 플라즈마에 의한 복사 재처리에서 기인할 가능성이 있다.
• 따뜻한 코로나의 경우 L_h / L_s 비율은 약 1로, 가열과 냉각이 유사한 에너지 균형 상태임을 나타내며, 두꺼운 자가복사 플라즈마와 일치한다.
• 따뜻한 코로나의 총 휘도는 L_tot ~ 2L_obs로, 광학적으로 두꺼운 성질을 확인하며, 뜨거운 코로나의 경우 L_tot ~ 2L_obs - L_s로, 광학적으로 얇은 조건과 일치한다.