[논문 리뷰] Two Compton-Thick Active Nuclei in Arp 220?

A. Paggi, G. Fabbiano외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 천체망원경 Chandra ACIS 데이터의 서브픽셀 스펙트럼 영상 기법을 사용하여 초광명적 적외선 은하 Arp 220 내에서 ~365 pc 떨어진 두 개의 콜프만-두꺼운 활성은하핵(AGN)을 식별한다. 6–7 keV 범위에서 등가폭 >1 keV인 강력한 Fe-K 발광선과 높은 내재된 X선 복사능력(~10⁴² erg s⁻¹)의 탐지 결과는 두 개의 깊이 은폐된 AGN에 대한 설득력 있는 증거를 제공하며, 이로써 Arp 220는 NGC 6240와 NGC 3393에 이어 세 번째로 가까운 쌍의 콜프만-두꺼운 핵을 가진 천체로 확인된다.

ABSTRACT

Narrow-band spectral imaging with sub-pixel resolution of the Chandra-ACIS archival observation of the ULIRG merger Arp 220 strongly suggests two Compton thick nuclei, spatially coincident with the infrared and radio emitting nuclear clusters, and separated by 1" (~ 365 pc at a distance of 76 Mpc). These previously undetected highly obscured AGNs - West (W) and East (E) - are imaged, and separated from neighboring sources, in the 6-7 keV band, where the Fe-K lines dominate the emission. The western nucleus is also detected at energies above 7 keV. We estimate Fe-K equivalent width ~ 1 keV or possibly greater for both sources, and observed 2-10 keV luminosities L_X < 3.2 x 10^40 erg/s (W) and <1.3 x 10^40 erg/s (E). From the observed Fe-K lines luminosities{, and assuming on the basis of the XMM-Newton spectrum that 40% of this may be from the 6.4 keV component, we evaluate 2-10 keV intrinsic luminosities L_X ~ 1 x 10^42 erg/s (W) and L_X ~ 0.4 x 10^42 erg/s (E). The inferred X-ray luminosity is at least a factor of 3 higher than that expected from a pure starburst with the bolometric luminosity of Arp 220. For a typical AGN SED the bolometric luminosities are 5.2 x 10^43 erg/s (W) and 2 x 10^42 erg/s (E).

연구 동기 및 목표

• 강한 항성 폭발과 핵 활동 징후를 보이는 근접한 ULIRG인 Arp 220 내에서 은폐된 AGN 존재 여부에 대한 오랫동안 지속된 모호함을 해결하기 위해.
• Arp 220의 핵에서 관측된 복잡한 X선 복사가 단일 은폐된 원천이나 항성 폭발 지배적 복사가 아닌, 두 개의 콜프만-두꺼운 AGN에 의해 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.
• Chandra의 서브픽셀 공간 해상도와 좁은 대역 스펙트럼 영상 기법을 활용하여 희미하고 매우 투명도가 낮은 핵 X선 원천을 분리하고 특성화하기 위해.
• Fe-K 선 진단법과 스펙트럼 모델링을 통해 두 핵의 내재된 X선 복사능력과 블랙홀 질량을 추정하기 위해.
• 은하 융합과 콜프만-두꺼운 AGN 형성, ULIRG 활동 간의 진화적 연관성을 강화하기 위해.

제안 방법

• Chandra ACIS 데이터에 서브픽셀 이벤트 재위치 기법(SER)을 적용하여 0.492'' 픽셀 해상도를 초월하는 공간 해상도 향상을 도모하였다.
• 6–7 keV 에너지 범위의 좁은 대역 영상 기법을 사용하여 Fe-Kα 발광선을 분리하였으며, 이는 콜프만-두꺼운 AGN의 진단적 특성이다.
• 초기 복사능력 추정에는 6.4 keV 선 에너지를 가정하였지만, 스펙트럼 모델링을 통해 최대 40% 기여가 6.7 keV Fe XXV 선에서 기인할 수 있음을 고려했다.
• 관측된 2–10 keV 복사능력은 서쪽 핵에서 7 keV 이상의 경직된 X선 탐지 결과를 바탕으로 흡수를 보정하여 N_H ~ 10²⁴.⁵ cm⁻²로 추정하였다.
• 내재된 2–10 keV 복사능력은 일반적인 AGN SED와 복사능 보정을 가정하여 Fe-K 선 복사능력에서 유도하였다.
• 10% 복사 효율을 가정한 에딩턴 한계 적재 조건 하에서 블랙홀 질량의 하한을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Arp 220 내에서 공간적으로 분리된 두 핵 영역이 Fe-K 선 발광에 의해 나타나는 바와 같이 두 개의 콜프만-두꺼운 AGN의 위치인가?
• RQ2 서브픽셀 스펙트럼 영상 기법이 혼잡한 중심 영역 내에서 두 개의 별개이면서 매우 은폐된 핵의 X선 복사를 분리해 낼 수 있는가?
• RQ3 관측된 Fe-K 선 등가폭과 흡수 조건을 고려할 때, 두 핵의 내재된 X선 복사능력과 블랙홀 질량은 얼마인가?
• RQ4 유도된 AGN 복사능은 Arp 220의 총 볼로메트릭 복사능과 비교해 볼 때 어떻게 되며, 그 중 AGN 활동이 차지하는 비율은 얼마인가?
• RQ5 두 개의 CT AGN 존재가 ULIRG 내 AGN 형성의 융합 유도 진화 모델을 지지하는가?

주요 결과

• Arp 220 내에서 두 개의 콜프만-두꺼운 AGN이 식별되었으며, 이는 근적외선 및 전파 핵과 공간적으로 일치하며 약 1”(~365 pc) 떨어져 있다.
• 서쪽 핵은 7 keV 이상에서 뚜렷한 복사가 관측되어 N_H ~ 10²⁴.⁵ cm⁻²의 높은 열두께를 나타내며, 콜프만-두꺼운 흡수와 일치한다.
• 두 핵 모두 Fe-K 선 등가폭이 약 1 keV 이상으로 추정되며, 이는 콜프만-두꺼운 AGN의 특징적 징후이다.
• 내재된 2–10 keV 복사능력은 각각 약 1 × 10⁴² erg s⁻¹ (W) 및 약 0.4 × 10⁴² erg s⁻¹ (E)로 추정되며, 흡수로 인해 관측된 복사능보다 현저히 높다.
• AGN의 볼로메트릭 복사능은 각각 약 5.2 × 10⁴³ erg s⁻¹ (W) 및 약 2 × 10⁴² erg s⁻¹ (E)이며, Arp 220 총 복사능의 몇 퍼센트 미만으로 나타나 항성 폭발 지배성은 확인된다.
• 에딩턴 한계 적재 조건과 10% 복사 효율을 가정할 때 블랙홀 질량의 하한은 각각 약 3 × 10⁵ M☉ (W) 및 약 1 × 10⁵ M☉ (E)로 추정된다.