[논문 리뷰] The Swift Serendipitous Survey in deep XRT GRB fields (SwiftFT) I. The X-ray catalog and number counts

Simonetta Puccetti, M. Capalbi외 13명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 21.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 43인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 감마선 폭발 주변의 깊은 XRT GRB 영역을 대상으로 한 스위프트 우연적 설문조사(SwiftFT)를 제시한다. 이 설문조사에서는 374개의 스위프트-XRT 영역을 활용해 광역적이고 중간 깊이의 X선 설문조사를 수행하였으며, 9,387개의 점원형 X선 소스를 감지하였고, 이는 7.2×10⁻¹⁶ erg cm⁻² s⁻¹의 광도 한계 이하에서 이루어졌으며, 0.5–2 keV 및 2–10 keV 대역에서 높은 통계적 유의성을 확보하였다. 또한 고은하경도 영역에 대해 처음으로 고정밀도의 logN-logS 관계를 보고하였으며, 이는 이전 설문조사와 일치하며, 경미하게 차폐된 AGN의 비율이 37%임을 드러냈다.

ABSTRACT

We searched for X-ray serendipitous sources in over 370 Swift-XRT fields centered on gamma ray bursts detected between 2004 and 2008 and observed with total exposures ranging from 10 ks to over 1 Ms. This defines the Swift Serendipitous Survey in deep XRT GRB fields, which is quite broad compared to existing surveys (~33 square degrees) and medium depth, with a faintest flux limit of 7.2e-16 erg cm^-2 s^-1 in the 0.5 to 2 keV energy range. The survey has a high degree of uniformity thanks to the stable point spread function and small vignetting correction factors of the XRT, moreover is completely random on the sky as GRBs explode in totally unrelated parts of the sky. In this paper we present the sample and the X-ray number counts of the high Galactic-latitude sample, estimated with high statistics over a wide flux range (i.e., 7.2e-16 to ~5e-13 erg cm^-2 s^-1 in the 0.5-2 keV band and 3.4e-15 to ~6e-13 erg cm^-2 s^-1 in the 2-10 keV band). We detect 9387 point-like sources, while 7071 point-like sources are found at high Galactic-latitudes (i.e. >=20 deg). The large number of detected sources resulting from the combination of large area and deep flux limits make this survey a new important tool for investigating the evolution of AGN. In particular, the large area permits finding rare high-luminosity objects like QSO2, which are poorly sampled by other surveys, adding precious information for the luminosity function bright end. The high Galactic-latitude logN-logS relation is well determined over all the flux coverage, and it is nicely consistent with previous results at 1 sigma confidence level. By the hard X-ray color analysis, we find that the Swift Serendipitous Survey in deep XRT GRB fields samples relatively unobscured and mildly obscured AGN, with a fraction of obscured sources of ~37% (~15%) in the 2-10 (0.3-3 keV) band.

연구 동기 및 목표

• 활성 은하핵(AGN)의 전체적인 수를 향상시키고 그 진화를 연구하기 위해 광역적이고 균일한 X선 설문조사를 수행하기 위해.
• 기존의 X선 설문조사에서 발생하는 천체적 변동성과 광도 한계 편향을 극복하기 위해 스위프트 GRB 영역의 장시간 노출, 우연적 관측을 활용하기 위해.
• 정확한 광도 한계와 위치 불확도를 갖춘 고신뢰도 X선 소스 목록을 제작하기 위해.
• 특히 잘 샘플링되지 않은 밝은 영역에서 광역 범위의 광도에서 X선 수세기(로그N-로그S)를 측정하기 위해.
• X선 경도비 분석을 통해 AGN의 차폐 특성을 기술하고, 비차폐 및 경미하게 차폐된 집단에 초점을 맞추기 위해.

제안 방법

• 감마선 폭발(GRB) 영역의 374개의 스위프트-XRT 관측 자료를 활용하였으며, 노출 시간은 10 ks에서 1 Ms 이상에 이르며 깊고 균일한 커버리지가 가능하였다.
• 점원형 X선 소스를 식별하기 위해 ≤2×10⁻⁵의 포isson 확률 임계값을 적용하였으며, 세 개의 에너지 대역(0.3–3 keV(S), 2–10 keV(H), 0.3–10 keV(F))에서 수행되었다.
• 장비의 응답 함수와 완전성 추정치를 사용해 광도 한계를 校정하였으며, 0.5–2 keV 대역에서 50% 완전성 광도는 4.8×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹였다.
• 경도비 분석을 통해 소스를 비차폐 또는 차폐된 것으로 분류하였으며, H대역과 S대역 광도 비율을 사용하였고, 10²³ cm⁻² 이하의 열두께 기준(NH ≲ 10²³ cm⁻²)을 통해 차폐를 정의하였다.
• 은하경도가 높은 영역(|b| ≥ 20°)에서 logN-logS 분석을 수행하였으며, 깨진 거듭제곱 법칙 모델을 사용해 α₁, α₂, S₀ 매개변수를 추정하였다.
• 이론 모델(Gilli et al. 2007)과의 일치성을 검증하고, 이전 설문조사(C-COSMOS, ELAIS-S1 등)와 비교하여 일관성과 편향 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고은하경도 영역에서 0.5–2 keV 및 2–10 keV 대역의 X선 수세기 분포(logN-logS)는 어떻게 되며, 이는 이전 설문조사와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 SwiftFT 설문조사에서 차폐된 AGN는 어느 정도 샘플링되며, 이 비율은 광도와 에너지 대역에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 이 설문조사의 광도 한계와 감도 균일성은 다른 광역 X선 설문조사와 비교해 어떻게 되며, 희귀한 고광도 AGN를 연구하는 데 어떤 이점이 있는가?
• RQ4 관측된 logN-logS 관계는 Gilli 등(2007)의 X선 배경 합성 모델과 일치하는가? 특히 어두운 광도 영역과 밝은 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ5 보수적인 광도 상한선이 경도비 기반의 차폐 비율에 어떤 영향을 미치며, 특히 광도 한계 근처에서는 어떠한가?

주요 결과

• 감지 유의도 임계값 ≤2×10⁻⁵를 기준으로 9,387개의 고유한 점원형 X선 소스를 감지하였으며, 이 중 7,071개는 고은하경도 영역(|b| ≥ 20°)에 위치해 있었다.
• 0.5–2 keV 대역에서 50% 완전성 광도 한계는 4.8×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹이며, 이는 한계 광도 7.2×10⁻¹⁶ erg cm⁻² s⁻¹에 해당한다. 이는 광역 X선 설문조사 중 가장 깊은 편에 속한다.
• 고은하경도 영역의 logN-logS 관계는 넓은 광도 범위(0.5–2 keV에서 7.2×10⁻¹⁶ ~ ∼5×10⁻¹³ erg cm⁻² s⁻¹)에서 잘 구속되어 있으며, 1σ 신뢰 수준에서 이전 설문조사와 일치한다.
• X선 수세기 분포는 깨진 거듭제곱 법칙으로 가장 잘 맞추어졌으며, 0.5–2 keV 대역에서는 α₁ = 1.76⁺⁰.¹₋₀.₀⁹, α₂ = 0.51⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁹이며, 2–10 keV 대역에서는 α₁ = 1.93⁺⁰.¹³₋₀.¹⁰, α₂ = 0.5⁺⁰.³₋₀.³이다. 각각의 붕괴 광도 S₀는 6.4⁺¹.⁴₋₁.⁶×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹ 및 7.5⁺⁴.¹₋₁.⁹×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹이다.
• H대역에서는 약 37%, S대역에서는 약 15%의 소스가 경도비 분석을 통해 차폐된 AGN로 분류되었으며, 이 비율은 낮은 광도와 높은 에너지에서 증가하는 경향이 있었다.
• 관측된 차폐 비율은 광도 한계(≤3×10⁻¹⁵ erg cm⁻² s⁻¹) 근처에서 모델 예측보다 체계적으로 높았으며, 이는 어두운 S대역 소스에 대해 보수적인 H대역 상한선 때문일 가능성이 크며, 이러한 상한선을 제거하면 이 효과가 완화됨을 확인하였다.