[논문 리뷰] XMM-Newton observation of the deep minimum state of PG 2112+059: A spectrum dominated by reflection from the accretion disk?

N. Schartel, P. M. Rodriguez‐Pascual외 6명|ArXiv.org|2007. 09. 15.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 43인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 X선 약한 활성은하핵 PG 2112+059의 XMM-Newton 관측을 분석하여, 깊은 최소 상태에서 스펙트럼이 주로 흡수보다는 상대론적 폭발을 겪은 X선 반사에 의해 지배된다는 것을 밝혀냈다. 데이터는 초거대 블랙홀 근처에서 빛의 굴절이 주 연속 스펙트럼을 억제함으로써, 이러한 활성은하핵에서 X선 약화가 흡수로 인한 것이라는 오랜 통념을 도전한다.

ABSTRACT

We analyse a 75ks XMM-Newton observation of PG 2112+059 performed in November 2005 and compare it with a 15ks XMM-Newton observation taken in May 2003. PG 2112+059 was found in a deep minimum state as its 0.2-12 keV flux decreased by a factor of 10 in comparison to the May 2003 observation. During the deep minimum state the spectra show strong emission in excess of the continuum in the 3-6 keV region. The excess emission corresponds to an EW = 26.1 keV whereas its shape resembles that of heavily absorbed objects. The spectra of both observations of PG 2112+059 can be explained statistically by a combination of two absorbers where one shows a high column density, $N_{H} \sim 4.5 imes 10^{23} cm^{-2}$, and the other high ionisation parameters. As the ionisation parameter of the high flux state, $ξ\sim 34 erg cm s^{-1}$, is lower than the value found for the deep minimum state, $ξ\sim 110 erg cm s^{-1}$, either the absorbers are physically different or the absorbing material is moving with respect to the X-ray source. The spectra can also be explained by a continuum plus X-ray ionised reflection on the accretion disk, seen behind a warm absorber. The ionisation parameter of the high state ($ξ\sim 5.6 erg cm s^{-1}$) is higher than the ionisation parameter of the deep minimum state ($ξ\sim 0.2 erg cm s^{-1}$), as expected for a stationary absorber. The values found for the ionisation parameters are in the range typical for AGNs. The spectra observed during the deep minimum state are reflection dominated and show no continuum emission. These can be understood in the context of light bending near the supermassive black hole as predicted by Minutti and Fabian.

연구 동기 및 목표

• 부드러운 X선 약한 활성은하핵, 특히 극도로 변동성이 크고 복잡한 스펙트럼을 보이는 PG 2112+059에서 X선 약화의 물리적 기원을 조사한다.
• 깊은 X선 최소 상태가 흡수인지, 아니면 블랙홀 근처에서의 상대론적 효과, 예를 들어 빛의 굴절으로 인한 것인지 확인한다.
• 특히 3–6 keV 영역의 강한 발광 초과가 X선 이온화 반사에 의해 설명될 수 있는지 평가한다.
• 중성 및 이온화된 두 투과체를 포함하는 스펙트럼 모델과, 따뜻한 투과체 뒤에 반사 지배 스펙트럼이 존재하는 모델을 비교한다.
• 흡수 모델이 활성은하핵의 X선 약화의 주요 원인이라는 일반적인 가정을 도전하며, 대체 물리 메커니즘을 시험한다.

제안 방법

• 2005년 11월, 깊은 최소 상태에서 PG 2112+059에 대한 75-ks XMM-Newton 관측을 수행하였다.
• 2003년 5월의 이전 15-ks XMM-Newton 관측과 비교하여 스펙트럼 및 밝기 변화를 분석하였다.
• 광이온화 흡수 모델을 사용하여 두 성분을 포함한 스펙트럼을 피팅하였는데, 하나는 고밀도 투과체(NH ~ 4.5×10²³ cm⁻²)이고, 다른 하나는 고이온화도 파am터(ξ ~ 110 erg cm s⁻¹)를 가졌다.
• 주 연속 스펙트럼이 블랙홀 근처에서의 빛의 굴절으로 억제되는 상황에서, 스펙트럼이 주로 X선 이온화 반사에 의해 지배되는 반사 기반 모델을 테스트하였다.
• Minutti & Fabian (2004)의 빛 굴절 모델을 사용하여 깊은 최소 상태에서 연속 스펙트럼의 부재와 강한 반사 특징을 설명하였다.
• 이온화도 파am터와 등가광도(EW = 26.1 keV)를 평가하여, 흡수 모델과 반사 모델을 구분하였으며, AGN 물리학과 기대되는 경향과의 일관성으로 인해 반사 모델을 지지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PG 2112+059의 깊은 X선 최소 상태는 흡수 때문이냐, 아니면 블랙홀 근처에서의 상대론적 효과, 예를 들어 빛의 굴절 때문이냐?
• RQ2 깊은 최소 상태에서 관측된 강한 3–6 keV 발광 초과는 X선 이온화 반사에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 흡수 모델 하에서 깊은 최소 상태에서 이온화도 파am터가 증가하는 이유는 무엇이며, 이는 물리적 변화 또는 투과체의 운동을 의미하는가?
• RQ4 깊은 최소 상태에서 반사 지배 스펙트럼이 표준 흡수 모델과 모순되는가?
• RQ5 관측된 스펙트럼 및 변화 특성을 이용하여 초거대 블랙홀 근처의 강한 중력 영역에서 일반상대성 이론을 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 2005년 11월, PG 2112+059는 0.2–12 keV 밝기가 2003년 5월 관측 대비 10배 감소한 깊은 최소 상태에 진입하였다.
• 깊은 최소 상태 스펙트럼은 3–6 keV 영역에서 강한 발광 초과를 보이며, 등가광도 26.1 keV를 가지며, 간단한 흡수 모델과는 일치하지 않지만, 심하게 투과된 소스와 유사하다.
• 흡수 모델은 깊은 최소 상태에서 물리적으로 비현실적인 높은 이온화도 파am터(ξ ~ 110 erg cm s⁻¹)를 요구하며, 이는 다른 투과체 또는 소스에 대한 상대적 운동을 시사한다.
• 반사 모델은 데이터를 더 잘 설명한다: 깊은 최소 상태 스펙트럼은 주로 흡수된 연속 스펙트럼이 없는, 원반에서의 X선 이온화 반사에 의해 지배되며, 블랙홀 근처에서의 빛 굴절과 일관된다.
• 반사 모델에서 이온화도 파am터는 깊은 최소 상태에서 낮은 수준(ξ ~ 0.2 erg cm s⁻¹)이며, 고상태에서의 값(ξ ~ 5.6 erg cm s⁻¹)보다 낮다. 이는 정적 투과체에 대해 기대되는 바와 일치하므로 반사 시나리오를 지지한다.
• 결과는 활성은하핵에서 X선 약화가 주로 흡수로 인한 것이라는 전통적 관점에 도전하며, 빛의 굴절이 X선 약한 활성은하핵에서 주요 메커니즘일 수 있음을 시사한다. 이는 강한 중력에서 일반상대성 이론을 시험할 수 있는 새로운 길을 열어준다.