[논문 리뷰] Multiwavelength campaign on Mrk 509 XV. A global modeling of the broad emission lines in the Optical, UV and X-ray bands

E. Costantini, G. A. Kriss외 12명|Data Archiving and Networked Services (DANS)|2016. 06. 21.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 67인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 Mrk 509의 가시광선, 엑스선 및 엑스선 대역에서 동시에 관측된 XMM-Newton 및 HST-COS 데이터를 이용하여 국소적으로 최적의 방출(Locally Optimum Emission, LOC) 모델을 통해 넓은 발광선을 모델링한다. 두 가지 구분되는 기체 성분을 발견하였으며, 하나는 중심 AGN에서 5×10¹⁴–3×10¹⁷ cm 거리에 위치한 내부 고이온화 영역으로서 엑스선 및 엑스선 대역의 발광선을 발생시키고, 다른 하나는 3×10¹⁷–3×10¹⁸ cm 거리에 위치한 더 넓은 범위의 저이온화 영역으로서 가시광선 및 더 연한 엑스선 대역의 발광선을 발생시킨다. 양 성분 모두에서 반경 방향 방출 경향 기울기 γ는 약 1.10–1.15이다.

ABSTRACT

We model the broad emission lines present in the optical, UV and X-ray spectra of Mrk 509, a bright type 1 Seyfert galaxy. The broad lines were simultaneously observed during a large multiwavelength campaign, using the XMM-Newton-OM for the optical lines, HST-COS for the UV lines and XMM-Newton-RGS and Epic for the X-ray lines respectively. We also used FUSE archival data for the broad lines observed in the far-ultra-violet. The goal is to find a physical connection among the lines measured at different wavelengths and determine the size and the distance from the central source of the emitting gas components. We used the "Locally optimally emission Cloud" (LOC) model which interprets the emissivity of the broad line region (BLR) as regulated by powerlaw distributions of both gas density and distances from the central source. We find that one LOC component cannot model all the lines simultaneously. In particular, we find that the X-ray and UV lines likely may originate in the more internal part of the AGN, at radii in the range ~5x10^{14}-3x10^{17} cm, while the optical lines and part of the UV lines may likely be originating further out, at radii ~3x10^{17}-3x^{18} cm. These two gas components are parametrized by a radial distribution of the luminosities with a slope gamma of ~1.15 and ~1.10, respectively, both of them covering at least 60% of the source. This simple parameterization points to a structured broad line region, with the higher ionized emission coming from closer in, while the emission of the low-ionization lines is more concentrated in the outskirts of the broad line region.

연구 동기 및 목표

• Mrk 509의 가시광선, 엑스선 및 엑스선 대역에서 동시에 관측된 넓은 발광선 간의 물리적 연관성을 확립하기 위해.
• 발광 기체 성분의 공간 분포 및 중심 AGN 소스로부터의 거리를 규명하기 위해.
• 단일 성분 LOC 모델이 넓은 스펙트럼 에너지 분포를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 6.4 keV에서 관측된 철 Kα 선에 대한 BLR의 기여도를 평가하기 위해.
• 다중파장 발광선 프로파일 피팅을 통해 BLR의 기하학적 구조 및 커버링 인자에 대해 조사하기 위해.

제안 방법

• 중앙 소스로부터의 거리와 기체 밀도에 따라 발광 특성을 기술하는 국소적으로 최적의 방출(Locally Optimum Emission, LOC) 모델을 적용하여 BLR의 방출 특성을 해석하였다.
• 기체 밀도와 반경 방향 거리의 등급 법칙 분포를 사용하여 다중 대역에서의 BLR 방출을 매개변수화하였다.
• XMM-Newton-OM(가시광선), HST-COS(자외선), XMM-Newton-RGS/Epic(엑스선), 그리고 기록된 FUSE(원거리 자외선) 데이터로부터 관측된 선 프로파일을 피팅하였다.
• 적합도 향상을 위해 두 개의 구분되는 기체 성분에 대해 독립적인 반경 분포 및 커버링 인자를 허용하였다.
• BLR 기여도를 진단하기 위해 6.4 keV 철 Kα 선을 포함하였으며, 먼 거리에 있는 비변화 성격의 좁은 성분을 가정하였다.
• 모델의 안정성을 평가하기 위해 반경 방출 기울기(γ), 커버링 인자(C_V), 반경 범위의 파rameter 공간을 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mrk 509에서 가시광선, 자외선 및 엑스선 대역의 넓은 발광선을 동시에 재현할 수 있는 단일 성분 LOC 모델이 존재하는가?
• RQ2 다른 이온화 상태를 가지는 넓은 발광선을 담당하는 기체 성분의 반경 거리와 물리적 크기는 무엇인가?
• RQ3 고이온화 및 저이온화 발광선을 방출하는 영역 간에 BLR 기체의 반경 방출 기울기(γ)는 어떻게 달라지는가?
• RQ4 관측된 6.4 keV 철 Kα 선의 몇 퍼센트가 BLR에서 기인하는가, 먼 곳에 있는 차가운 물질에서 기인하는가?
• RQ5 BLR의 커버링 인자와 기하학적 구조는 그 구조와 역학적 특성에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• 단일 LOC 성분으로는 모든 넓은 발광선을 동시에 모델링할 수 없어, 이중 성분 접근이 필요하다.
• 엑스선 및 고이온화 자외선 선(예: C iv)은 반경 약 5×10¹⁴–3×10¹⁷ cm 거리에 위치한 내부 BLR 성분에서 기인하며, 반경 방출 기울기 γ ≈ 1.15이다.
• 가시광선 및 저이온화 자외선 선은 반경 약 3×10¹⁷–3×10¹⁸ cm 거리에 위치한 더 넓은 BLR 성분에서 기인하며, γ ≈ 1.10이다.
• 양 성분 모두 커버링 인자가 60% 이상을 초과하여, 구조적이고 비구형인 BLR 기하학적 구조에 따른 상당한 반경 범위를 나타낸다.
• BLR는 관측된 6.4 keV 넓은 철 Kα 선의 약 30% 기여를 하며, 방출이 작은 반경(로그 r ≈ 14.75 cm)에서 피크를 이룬다.
• 이중 성분 모델은 단일 성분보다 통계적으로 더 나은 적합도를 보였지만, 잔차의 불일치는 단순한 LOC 매개변수화의 한계를 시사하며, 이는 복잡한 역학적 특성 또는 비균일한 커버링 인자 때문일 가능성이 높다.