[논문 리뷰] The XMM Deep survey in the CDFS V. Iron K lines from active galactic nuclei in the distant Universe

S. Falocco, F. J. Carrera외 12명|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|2013. 04. 29.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 56인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 천문학적 깊이 필드 남쪽의 54개의 고적색 이동 활성 은하핵(AGN)의 평균 XMM-뉴턴 X선 스펙트럼을 분석하여 철(Fe) Kα 발광선을 조사한다. 고신호대비잡음비 스택드 스펙트럼과 세밀한 스펙트럼 모델링을 통해, 등가폭 약 ~95 eV인 매우 뚜렷한 철 라인 특징을 발견하였으며, 이는 좁은(67 ± 28 eV) 및 상대론적으로 넓어진(140 ± 120 eV) 성분의 조합으로 가장 잘 설명되며, 적색이동 z ~ 3.5까지의 먼 거리 및 내부 원형 순환 디스크 영역에서의 반사 현상을 시사한다.

ABSTRACT

X-ray spectroscopy of active galactic nuclei (AGN) offers the opportunity to directly probe the inner regions of the accretion disk. We present the results of our analysis of average AGN XMM-Newton X-ray spectra in the Chandra Deep Field South observation (XMM CDFS). We computed the average spectrum of a sample of 54 AGN with spectroscopic redshifts and signal-to-noise ratio S/N > 15 in the 2-12 keV rest-frame band in at least one EPIC camera. We have taken the effects of combining spectra from sources at different redshifts and both EPIC cameras into account, as well as their spectral resolution; we checked our results using thorough simulations. We explored the Fe line components of distant AGN focusing on the narrow core which arises from regions far from the central engine and on the putative relativistic component (from the accretion disk). The average spectrum shows a highly significant Fe feature. Our model-independent estimates of the equivalent width (EW) suggest a higher EW in a broader range. The line, modelled as an unresolved Gaussian, is significant at 6.8 sigma and has an EW=95 eV (full sample). The current data can be fitted equally well adding a relativistic profile to the narrow component (in the full sample, EW=140 eV and 67 eV respectively for the relativistic and narrow lines). Thanks to the high quality of the XMM CDFS spectra and to the detailed modelling of the continuum and instrumental effects, we have shown that the most distant AGN exhibit a highly significant Fe emission feature. It can be modelled both with narrow and broad lines. We found tantalising evidence for reflection by material both very close and far away from the central engine. The EW of both features are similar to those observed in individual nearby AGN, hence they must be a widespread characteristic of AGN, since otherwise the average values would be smaller than observed.

연구 동기 및 목표

• X선 분광법을 통해 먼 활성 은하핵(AGN)의 내부 순환 영역의 물리학적 성질과 기하학적 특성을 탐색하기 위해.
• 적색이동 z ~ 3.5까지의 AGN에서 철 Kα 발광선의 존재 및 특성을 조사하여, 강한 중력장에서의 상대론적 효과가 두드러지게 나타날 것으로 예상되는지를 조사하기 위해.
• 관측된 철 라인이 먼 차가운 물질과 블랙홀 근처의 상대론적으로 넓어진 디스크에서의 반사로 설명되는지 여부를 판단하기 위해.
• 고신호대비잡음비 스택드 스펙트럼을 바탕으로 관측된 선의 등가폭이 광범위하게 퍼진 AGN 현상의 대표성을 갖는지 평가하기 위해.
• 다중 적색이동 범위에서의 기기 응답 및 적색이동 효과를 철저히 모델링하고, 광범위한 시뮬레이션을 통해 결과의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 54개의 AGN에 대한 100개의 개별 XMM-뉴턴 EPIC 관측 자료에서, 스펙트럼적 적색이동과 2–12 keV 영역에서의 신호대비잡음비 >15인 자료를 바탕으로 스택드 X선 스펙트럼을 생성하였다.
• 스펙트럼 피팅에는 파wr-라인 연속체, 중성 반사 성분(pexrav), 그리고 상대론적 반사 성분(laor 또는 kdblur2)을 조합하여 철 라인 특징을 모델링하였다.
• EPIC-pn 및 EPIC-MOS의 에너지 해상도 및 응답 함수를 정확히 모델링하고, gsmooth 응답 행렬을 사용하여 조합하였다.
• 모델 비교에는 Δχ² 및 Δν의 유의성에 기반한 F-검정을 사용하였으며, 모델 향상의 p-값과 σ 신뢰수준을 보고하였다.
• 관측된 라인 특징이 임의의 결과가 아니라는 것을 확인하기 위해 시뮬레이션을 실시하였으며, 특히 저신호대비잡음비에서 넓은 라인의 탐지 가능성에 중점을 두었다.
• 적색이동(z < 1, z ≥ 1), 흡수 상태(흡수된/흡수되지 않은), AGN 유형(Seyfert, QSO) 기반의 서브샘플을 설정하고, 각각에 대해 별도의 스펙트럼 피팅을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색 이동 AGN(z ~ 3.5)에서 철 Kα 발광선이 중심 블랙홀 근처의 강한 중력으로 인한 상대론적 넓이를 보여주는가?
• RQ2 관측된 철 라인 특징은 먼 거리에서의 반사로 인한 좁은 성분이 더 잘 설명되는가, 아니면 내부 순환 디스크에서 기인한 넓은 성분이 더 잘 설명되는가?
• RQ3 먼 거리의 AGN 평균 스펙트럼에서 철 라인의 진실된 등가폭은 얼마이며, 국지 AGN와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 라인 특징이 기기나 통계적 오류로 인한 결과인지, 아니면 높은 유의성으로 신뢰할 수 있는 검출 결과인지 여부는 무엇인가?
• RQ5 관측된 라인 특성(예: 등가폭, 프로파일 형상)은 상대론적 반사 현상이 우주 시간 동안 AGN 전반에 걸쳐 널리 퍼져 있는 현상임을 시사하는가?

주요 결과

• 전체 AGN 샘플의 평균 X선 스펙트럼은 6.5 keV의 고정 프레임에서 매우 뚜렷한 철 Kα 발광선을 보이며, 모델에 의존하지 않는 등가폭 95 ± 22 eV로 6.8σ의 유의성으로 검출되었다.
• 철 라인은 좁은 성분(EW = 67 ± 28 eV)과 상대론적으로 넓어진 성분(EW = 140 ± 120 eV)의 조합으로 가장 잘 모델링되며, 이는 먼 거리 및 내부 디스크 영역에서의 반사를 시사한다.
• 상대론적 성분의 유의성은 F-검정에서 3.6 × 10⁻²(2.1σ)로, 넓은 라인 성분을 포함한 모델이 좁기만 한 모델보다 더 잘 맞는다는 것을 뒷받침한다.
• 전체 샘플의 진실된 열두께는 낮다(NH ~ 0.24 × 10²² cm⁻²), 흡수된 소스는 더 높은 NH(2.84 × 10²² cm⁻²)를 보이며, 중간 정도의 흡수와 일치한다.
• QSO 서브샘플(z ≥ 1)에서는 상대론적 라인의 등가폭이 228 ± 70 eV이며, F-검정의 유의성은 3.4σ로, 고적색 이동 AGN에서 넓은 성분이 강력한 증거를 지닌다.
• 상대론적 성분의 반사 요인은 약 ~0.45(전체 샘플), 먼 거리 반사 성분은 약 ~1로, 이는 두 영역에서의 반사가 혼합되어 있음을 시사한다.