[論文レビュー] A long term study of AGN X-ray variability. Structure function analysis on a ROSAT-XMM quasar sample

R. Middei, F. Vagnetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 57被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、2,864個のAGNについて、ROSATおよびXMM-Newtonのデータを用い、約20年間のrest frameで構造関数解析を実施し、長期的なX線変動を調査した。変動はプラトーに達することなく連続的に増加しており、これは軟X線放射がコンパクトな内側のコロナではなく、拡張した温かいコロナや外側の降着円盤領域のような大規模構造から発生している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Variability in the X-rays is a key ingredient in understanding and unveiling active galactic nuclei (AGN) properties. In this band flux variations occur on short time scales (hours) as well as on larger times scales. While short time scale variability is often investigated in single source studies, only few works are able to explore flux variation on very long time scales.This work provides a statistical analysis of the AGN long term X-ray variability. We study variability on the largest time interval ever investigated for the 0.2-2 keV band, up to $\sim 20$ years rest-frame for a sample of 220 sources. Moreover, we study variability for 2,700 quasars up to $\sim 8$ years rest-frame in the same (soft) band.We build our source sample using the 3XMM serendipitous source catalogue data release 5, and data from ROSAT All Sky Survey Bright and Faint source catalogues. In order to select only AGN we use the Sloan Digital Sky Survey quasar catalogues data releases 7 and 12. Combining ROSAT and XMM-Newton observations, we investigate variability using the structure function analysis which describes the amount of variability as a function of the lag between the observations.Our work shows an increase of the structure function up to 20 years. We do not find evidence of a plateau in the structure function on these long time scales.The increase of the structure function at long time lags suggests that variability in the soft X-rays can be influenced by flux variations originated in the accretion disk or that they take place in a region large enough to justify variation on such long time scales.

研究の動機と目的

• 20年間のrest frame時間スケールにわたるAGNにおける長期的X線変動を統計的に特徴づけること。
• 非常に長い時間スケールにおいて変動が飽和するか、継続的に増加するかを特定すること。
• 構造関数の挙動を分析することで、軟X線変動の物理的起源を調査すること。
• 観測された変動が、拡張した降着円盤領域または温かいコロナからの放射と整合するかを評価すること。
• 2,864個のクェーサーからなる大規模で統計的に信頼性の高いサンプルを用いることで、個々の異常な源に起因するバイアスを最小限に抑えること。

提案手法

• XMM-Newtonの3XMM-DR5およびROSAT全天サーベイの明るい/かすかな源カタログを用いて、2,864個のAGNのサンプルを構築した。
• AGNの選別を確実にするために、SDSSクェーザーカタログ（DR7およびDR12）とソースをクロスマッチした。
• 観測間の時間ラグに応じた変動の振幅を定量化するために、構造関数解析を適用した。
• ROSATとXMM-Newton間の機器感度の違いを補正し、一貫したフラックス測定を確保した。
• 宇宙論的時間歪みを補正するため、rest frame時間ラグを用いた。これにより赤方偏移にかかわらず比較が可能になった。
• rest frameで約20年間まで構造関数の挙動を分析し、プラトーの有無や継続的な増加を検出することを目的とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNにおけるX線変動は、長い時間スケールで飽和するのか、それとも継続的に増加し続けるのか？
• RQ2 観測された長期的変動は、コンパクトなコロナからの放射か、拡張構造からの放射かと整合するか？
• RQ3 変動の時間スケールが、降着円盤や温かいコロナのような発光領域の物理的サイズに関連づけられるか？
• RQ4 軟X線（0.2–2 keV）における構造関数の挙動は、降着円盤モデルの予測とどのように比較されるか？
• RQ5 20年ラグにおける構造関数のプラトーが観測されない理由を説明する物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 構造関数はrest frameで20年まで単調に増加しており、プラトーの兆候は見当たらない。
• プラトーが存在しないことは、変動がコンパクトな発光領域に関連する特徴的な時間スケールによって制限されていないことを示唆している。
• 観測された長期的変動は、拡張した温かいコロナまたは外側の降着円盤領域からの放射と整合する。
• 推定された変動時間スケールは、特に10^6–10^9 M☉のブラックホール質量範囲において、降着円盤の推定サイズと一致している。
• 軟X線過剰放射が、広い割合の円盤を覆う温く光学的に厚いコロナから生じるモデルを支持する。
• 構造関数の継続的な増加は、通常の短周期モニタリングで探査されないような、より長い時間スケールで作用する変動プロセスが存在することを示唆している。