[논문 리뷰] Simultaneous X-ray and UV spectroscopy of the Seyfert 1 galaxy NGC 5548.II. Physical conditions in the X-ray absorber

K. C. Steenbrugge, J. S. Kaastra외 9명|ArXiv.org|2005. 01. 07.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 32인용 수 97

한 줄 요약

이 연구는 NGC 5548의 동시 채널라 X선 및 자외선 스펙트로스코피를 제시하며, X선 따뜻한 흡수체가 속도 성분 전체에 걸쳐 열역학적 이완 조건을 가진 다수의 클러스터가 아닌 밀도 구배를 가진 스트리머 모델에 더 잘 맞는다는 것을 밝혀낸다. 특히 −1040 km s⁻¹의 고속 분출에서 열역학적 이완 조건을 가진 다수의 클러스터가 아닌 밀도 구배를 가진 스트리머 모델에 더 잘 맞는다. 이는 질량 분출률의 상한선이 0.3 M⊙ yr⁻¹ 이하임을 시사하며, 이는 질량 합성률과 일치하며 디스크 불안정성에 의해 유도된 바람을 지지한다.

ABSTRACT

We present the results from a 500 ks Chandra observation of the Seyfert 1 galaxy NGC 5548. We detect broadened emission lines of O VII and C VI in the spectra, similar to those observed in the optical and UV bands. The source was continuously variable, with a 30 % increase in luminosity in the second half of the observation. No variability in the warm absorber was detected between the spectra from the first 170 ks and the second part of the observation. The velocity structure of the X-ray absorber is consistent with the velocity structure measured simultaneously in the ultraviolet spectra. We find that the highest velocity outflow component, at -1040 km/s, becomes increasingly important for higher ionization parameters. This velocity component spans at least three orders of magnitude in ionization parameter, producing both highly ionized X-ray absorption lines (Mg XII, Si XIV) as well as UV absorption lines. A similar conclusion is very probable for the other four velocity components. Based upon our observations, we argue that the warm absorber probably does not manifest itself in the form of photoionized clumps in pressure equilibrium with a surrounding wind. Instead, a model with a continuous distribution of column density versus ionization parameter gives an excellent fit to our data. From the shape of this distribution and the assumption that the mass loss through the wind should be smaller than the accretion rate onto the black hole, we derive upper limits to the solid angle as small as 10^{-4} sr. From this we argue that the outflow occurs in density-stratified streamers. The density stratification across the stream then produces the wide range of ionization parameter observed in this source. Abridged.

연구 동기 및 목표

• 동시 고해상도 X선 및 자외선 스펙트로스코피를 이용하여 NGC 5548의 X선 따뜻한 흡수체의 물리 조건을 규명하는 것.
• X선 및 자외선 흡수선을 비교하여 분출 기체의 운동학적 및 이온화 상태를 규명하는 것.
• 따뜻한 흡수체가 압력 평형을 이룬 이산 클러스터로 기술되는 것이 바람직한지, 아니면 연속적인 이온화 상태 분포로 기술되는 것이 바람직한지 테스트하는 것.
• 이온화 매개변수 및 열역학적 밀도 분포를 이용하여 질량 분출률과 바람의 입체각을 제약하는 것.
• 넓은 방출선이 열역학적 밀도 측정 및 바람 운동학에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 고신호 대비 고스펙트럼 해상도 X선 스펙트럼 확보를 위해 500 ks의 천체망원경 LETGS/HETGS 관측을 수행하여 NGC 5548의 X선 스펙트럼을 확보하였다.
• HST STIS 및 FUSE에서 확보한 자외선 흡수선과 C, N, O, Ne, Mg, Si, S, Fe의 X선 흡수선을 비교하여 속도 성분을 정렬하였다.
• 따뜻한 흡수체를 분석하기 위해 세 가지 스펙트럼 모델을 사용: 이산 성분, 연속적인 N_H(ξ) 분포, 클러스터 압력 평형 모델.
• 이온화 매개변수 ξ = L/(n r²)와 열역학적 밀도 N_H를 사용하여 분출 기체 전체에 걸친 이온화 상태 분포를 매핑하였다.
• 질량 분출률이 질량 합성률보다 작아야 한다는 제약 조건을 적용하여 입체각과 바람 기하학에 대한 상한선을 유도하였다.
• 1999년과 2002년 사이의 O v 및 기타 선의 변화를 분석하여 장기적인 바람 행동을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X선 및 자외선 따뜻한 흡수체가 속도 및 이온화 상태 구조에 의해 나타나는 것처럼, NGC 5548의 동일한 물리적 분출 기체를 나타내는가?
• RQ2 관측된 이온화 매개변수 범위는 압력 평형을 이룬 이산 클러스터로 설명되는 것이 바람직한가, 아니면 열역학적 밀도의 연속적인 분포로 설명되는 것이 바람직한가?
• RQ3 질량 합성률보다 작아야 한다는 조건을 고려할 때, 바람의 질량 분출률과 기하학(입체각)에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 C vi, O vii 및 O viii의 넓은 방출선이 따뜻한 흡수체의 열역학적 밀도 추정치에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 −1040 km s⁻¹의 고속 성분이 낮은 속도 성분과 비교해 이온화 및 밀도 면에서 유일하게 구조화되어 있는가?

주요 결과

• NGC 5548의 X선 따뜻한 흡수체는 최소한 이온화 매개변수의 3개 옥타브에 걸쳐 연속적인 열역학적 밀도 분포를 보이며, 특히 −1040 km s⁻¹ 속도 성분에서 그렇다.
• 최고의 속도 성분은 고도로 이온화된 X선 선(예: Mg xii, Si xiv)과 자외선 선을 모두 포함하여, 단일 분출 기체 내에서 광범위한 이온화 상태를 나타낸다.
• 압력 평형을 이룬 이산 클러스터 모델은 관측된 이온화 범위를 설명하지 못하므로 기각된다. 이는 최소한 다섯 개 이상의 별개 성분이 필요하며, 관측된 이온화 분포를 설명하지 못한다.
• 연속적인 N_H(ξ) 분포는 뛰어난 적합도를 보이며, 거리가 멀어질수록 밀도 프로파일 ∝ r⁻⁰.⁷¹을 가진 밀도 구배를 가진 스트리머 모델을 지지한다.
• 바람의 입체각에 대한 상한선은 최소 10⁻⁴ sr까지 낮아지며, 넓은 바람이 아닌 좁고 필라멘터형 스트리머를 시사한다.
• 질량 분출률은 ≤ 0.3 M⊙ yr⁻¹로 제약되며, 이는 질량 합성률과 일치하며 AGN 수명 동안 간성간 매질의 제한된 농도 증가를 시사한다.