[논문 리뷰] XMM-Newton observation of the ULIRG NGC 6240: The physical nature of the complex Fe K line emission

Thomas Böller, R. Keil외 6명|ArXiv.org|2003. 07. 17.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 26인용 수 24

한 줄 요약

이 XMM-Newton 연구는 ULIRG NGC 6240의 복잡한 Fe K 발광선을 6.41 keV(중성 Fe Kα), 6.68 keV(이온화된 Fe XXV), 및 7.01 keV(Fe XXVI/Kβ)에 위치한 세 개의 명확한 좁은 선으로 분해하여 중심부에 강하게 흡수된 AGN가 존재하고, 세 가지의 고유한 플라즈마 성분(0.66, 1.4, 및 5.5 keV)을 포함하며 중심으로 갈수록 증가하는 강한 열역학적 밀도 기울기가 관측되었으며, Compton-두꺼운 AGN가 밀도가 높고 뜨거운 플라즈마에 의해 가려져 있음을 시사한다. 이는 항성 폭발 은하 NGC 253와 뚜렷한 유사성을 보인다.

ABSTRACT

We report on an XMM-Newton observation of the ultraluminous infrared galaxy NGC 6240. The 0.3-10 keV spectrum can be successfully modelled with: (i) three collisionally ionized plasma components with temperatures of about 0.7, 1.4, and 5.5 keV; (ii) a highly absorbed direct power-law component; and (iii) a neutral Fe K_alpha and K_beta line. We detect a significant neutral column density gradient which is correlated with the temperature of the three plasma components. Combining the XMM-Newton spectral model with the high spatial resolution Chandra image we find that the temperatures and the column densities increase towards the center. With high significance, the Fe K line complex is resolved into three distinct narrow lines: (i) the neutral Fe K_alpha line at 6.4 keV; (ii) an ionized line at about 6.7 keV; and (iii) a higher ionized line at 7.0 keV (a blend of the Fe XXVI and the Fe K_beta line). While the neutral Fe K line is most probably due to reflection from optically thick material, the Fe XXV and Fe XXVI emission arises from the highest temperature ionized plasma component. We have compared the plasma parameters of the ultraluminous infrared galaxy NGC 6240 with those found in the local starburst galaxy NGC 253. We find a striking similarity in the plasma temperatures and column density gradients, suggesting a similar underlying physical process at work in both galaxies.

연구 동기 및 목표

• ULIRG NGC 6240에서의 복잡한 Fe K 선 발광의 물리적 기원을 규명하는 것.
• X선 스펙트럼 내 다수의 플라즈마 성분과 흡수 특성의 기여를 분리하는 것.
• 고해상도 X선 데이터를 활용하여 중심 X선 발광의 공간 및 스펙트럼적 구조를 조사하는 것.
• NGC 6240의 X선 플라즈마 특성과 지역 항성 폭발 은하 NGC 253의 특성을 비교하는 것.
• 스펙트럼 모델링과 공간 분석을 통해 NGC 6240에 숨겨진 AGN의 존재와 성격을 평가하는 것.

제안 방법

• 세 개의 충돌적으로 이온화된 플라즈마 성분을 포함한 다성분 모델을 사용하여 0.3–10 keV 대역에서 XMM-Newton X선 스펙트럼 분석을 수행.
• 경직된 경계선을 가진 강력한 X선 연속 스펙트럼을 모델링하기 위해 매우 투명도가 낮은 파wr-법선 성분을 포함.
• Fe K 선 복합체를 중성 Fe Kα(6.41 keV), 이온화된 Fe XXV(6.68 keV), 및 Fe XXVI/Kβ(7.01 keV)로 구분된 세 개의 별개의 좁은 선으로 모델링.
• XMM-Newton 데이터를 사용하여 내부 30'' 영역의 공간적으로 분해된 스펙트럼 피팅을 수행하고, 천문관측장치의 고해상도 영상과 융합.
• 공간 축을 따라 플라즈마 온도와 흡수도를 관련지켜 반경 방향 열역학적 밀도 기울기를 유도.
• NGC 6240와 NGC 253 간의 플라즈마 온도와 열역학적 밀도 기울기를 비교하여 공통된 물리적 과정을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 6240에서의 복잡한 Fe K 선 발광의 물리적 기원은 무엇이며, 이를 별개의 성분으로 분해할 수 있는가?
• RQ2 세 플라즈마 성분의 공간 분포는 어떻게 되며, 중심으로부터의 거리에 따라 온도와 열역학적 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 NGC 6240의 경직된 X선 방출은 Compton-두꺼운 AGN와 일치하는가? 투명도가 낮은 물질의 성격은 무엇인가?
• RQ4 NGC 6240의 X선 스펙트럼적 및 공간적 특성은 항성 폭발 은하 NGC 253와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 NGC 6240 중심부에서 관측된 열역학적 밀도 기울기를 유도하는 물리적 과정은 무엇인가?

주요 결과

• Fe K 선 복합체는 중성 Fe Kα(6.41 ± 0.02 keV), 이온화된 Fe XXV(6.68 ± 0.02 keV), 및 Fe XXVI와 Kβ(7.01 ± 0.04 keV)에 위치한 세 개의 명확한 좁은 선으로 분해되었으며, 이는 여러 이온화 상태가 존재함을 확인한다.
• 세 개의 충돌적으로 이온화된 플라즈마 성분이 필요하며, 각각의 온도는 0.66 ± 0.03 keV, 1.4 ± 0.2 keV, 및 5.5 ± 1.5 keV이다. 이들은 천문관측장치 영상에서 공간적으로 분리되어 있다.
• 강한 열역학적 밀도 기울기가 관측되었으며, 0.66 keV 플라즈마의 경우 0.20 ± 0.03 × 10²² cm⁻²에서 시작하여 5.5 keV 플라즈마의 경우 4.1 ± 1.3 × 10²² cm⁻²로 중심으로 갈수록 증가함을 보여, 중심부로 갈수록 더 높은 흡수도를 나타낸다.
• 중성 Fe Kα 선은 광학적으로 두꺼운 물질에 의한 반사에서 기인하며, 이온화된 선(Fe XXV 및 Fe XXVI)은 가장 뜨거운 플라즈마 성분에서 기인한다.
• 경직된 X선 파wr-법선 성분은 매우 강하게 투명도가 낮아, Compton-두꺼운 AGN와 일치하며, 이는 이전 BeppoSAX 결과를 확인한다.
• NGC 6240의 플라즈마 온도와 열역학적 밀도 기울기는 항성 폭발 은하 NGC 253와 놀랄 정도로 유사하여, 공통된 물리적 메커니즘이 존재함을 시사한다.