[논문 리뷰] The largest Swift AGN monitoring campaign: UV/optical variability in NGC 5548

Stephen Connolly, I. M. McHardy외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 26.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 현재까지 가장 큰 스위프트 AGN 모니터링 캠패인을 제시하며, 750일에 걸쳐 554회의 NGC 5548 관측을 분석하여 자외선/가시광선 변동성을 조사한다. 자외선/가시광선 변동이 X선에 뒤따르며 파장에 따라 λ^1.23 비율로 지연되며, 이는 X선 재처리에 의한 것으로 일관되지만, 예측된 표준 샤크우라-수냐에프 디스크 모델보다 약 3배 긴 지연이 관측되어, 디스크 파rameter의 재검토 또는 덩어리진, 더 뜨겁거나 더 큰 디스크 구조가 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

We report on the largest Swift AGN monitoring program, concerning UV/optical variability in Seyferts. From 554 observations, over a 750d period, of the Seyfert galaxy NGC 5548, we see (McHardy et al. 2014) a good overall correlation between the X-ray and UV/optical bands,particularly on short timescales (tens of days). The UVOT bands are found to lag behind X-rays with a lag scaling as wavelength to the power 1.23 +/- 0.31, in excellent agreement with that expected (1.33) if UV/optical variability arises from reprocessing of X-rays by the accretion disc. However, the observed lags are ~3 times longer than expected from a standard Shakura-Sunyaev disc, raising real concerns about the detailed validity of this model. The results can be explained with a slightly larger mass and accretion rate, and a hotter disc, or if the disc is clumpy, thereby enhancing the emission from the outer regions.

연구 동기 및 목표

• 동시 스위프트 XRT 및 UVOT 데이터를 사용하여 NGC 5548의 X선에서 자외선/가시광선 변동성 간의 지연을 고시간 해상도로 측정한다.
• 자외선/가시광선 변동성이 재처리 모델에서 예측하는 바와 같이 X선 방출의 디스크 재처리에 기인하는지 테스트한다.
• 관측된 지연이 표준 샤크우라-수냐에프 디스크 모델 예측과 일치하는지 확인하며, 더 높은 질량, 질량 흡수율 또는 디스크 덩어리성 등 수정이 필요한지 판단한다.
• X선 변동과 관련이 없는 장기적인 자외선/가시광선 변동성의 기원을 조사한다.

제안 방법

• 750일 동안 NGC 5548에 대해 총 554회 동시 X선(XRT) 및 자외선/가시광선(UVOT) 관측을 실시하였으며, 중앙값 기준 약 2일 간격으로 수행되었다.
• X선 및 UVOT 광 light curve 간의 시간 지연를 측정하기 위해 이산 상관함수(DCF) 및 보간 상관함수(ICCF)를 사용하였다.
• 램프오스팅 기하학을 기반으로 한 재처리 모델을 적용하였으며, X선 방출원이 디스크 위에 있는 것으로 가정하였고, 블랙홀 질량, 질량 흡수율, X선 빛의 세기, 원천 높이 H 등의 파rameter를 포함하였다.
• X선 및 중력적 가열을 고려하여 디스크를 모델링하였으며, 디스크 반사율, 내부 반지름 R_in 및 높이 H를 포함하여 재처리 지연을 예측하였다.
• 관측된 지연을 표준 디스크 모델 예측과 비교하였으며, M_BH, ṁ_E, H, R_in 등의 파rameter 공간을 탐색하여 관측과 이론을 일치시키는 데 노력하였다.
• 장기적 변동성에 대한 대안적 설명으로는 디스크 덩어리성, 더 큰 디스크 크기, 또는 디스크 또는 코로나 내의 점성 전파를 조사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 5548에서 X선과 자외선/가시광선 변동성 간의 시간 지연는 무엇이며, 이는 파장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 NGC 5548에서 관측된 자외선/가시광선 변동성은 주로 디스크에 의한 X선 방출 재처리에 기인하는가?
• RQ3 관측된 지연은 표준 샤크우라-수냐에프 디스크 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ4 관측된 지연과 표준 모델 예측 간의 괴리(이상)를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 X선 광선 곡선에 반영되지 않는 장기적인 자외선/가시광선 변동성의 원인은 무엇인가?

주요 결과

• X선에서 UVW2로의 지연은 1.23 ± 0.31일/데카드 파장 단위로 측정되었으며, 이는 λ^1.23 비율과 일치하여 짧은 시간 척도의 자외선/가시광선 변동성 기원으로 X선 재처리를 강력히 지지한다.
• 관측된 지연는 표준 샤크우라-수냐에프 디스크 모델의 예측보다 약 3배 길며, 이는 이론적 기대와의 상당한 괴리임을 시사한다.
• 관측 결과를 표준 모델과 일치시키기 위해서는 블랙홀 질량을 약 ~10^8 M⊙으로 증가시키고, 질량 흡수율을 Eddington의 0.06으로, X선 원천의 높이를 20 Rg로 조정해야 하며, 또는 디스크가 덩어리지고 더 뜨거워야 한다.
• X선 변화와 반영되지 않는 장기적인 자외선/가시광선 상승(일자 6470에서 6547까지)은 큰 반경에서의 점성 전파(시간 상수 약 10년)로는 설명될 수 없으며, 코로나 또는 내부 디스크의 교란과 같은 다른 메커니즘이 필요함을 시사한다.
• X선이 자외선/가시광선 변동성보다 앞서는 현상은 잠재적인 시드 광자 변동성에도 불구하고, 디스크의 큰 입체각과 재처리 중 광자 수의 증폭으로 인해 X선에 의해 유도된 변동성이 증폭되기 때문에 설명된다.
• 마이크로렌즈 관측 결과가 더 큰 디스크 크기를 지지함에 따라 표준 디스크 모델이 부적절함을 재확인하며, 수정되거나 비균질한 디스크 구조가 필요함을 강화한다.