[논문 리뷰] An X-ray/SDSS sample (II): outflowing gas plasma properties

Michele Perna, G. Lanzuisi외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 59인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 563개의 AGN에 대한 X선/SDSS 데이터를 분석하여, 스택드 스펙트럼과 고신호대비잡음 비율의 발광선을 가진 서브샘플을 사용해 유동하는 이온화된 기체 플라즈마의 물리 조건을 도출한다. 중간 전자 온도는 약 ~1.7×10⁴ K, 밀도는 약 ~1200 cm⁻³로 측정되었으며, 이는 일반적으로 사용되는 Ne = 100 cm⁻³의 가정을 뒤집는 것으로, 이 가정은 유동 에너지계산에서 최대 10배까지 과대평가를 초래할 수 있다.

ABSTRACT

Galaxy-scale outflows are nowadays observed in many active galactic nuclei (AGNs); however, their characterisation in terms of (multi-) phase nature, amount of flowing material, effects on the host galaxy, is still unsettled. In particular, ionized gas mass outflow rate and related energetics are still affected by many sources of uncertainties. In this respect, outflowing gas plasma conditions, being largely unknown, play a crucial role. Taking advantage of the spectroscopic analysis results we obtained studying the X-ray/SDSS sample of 563 AGNs at z $<0.8$ presented in our companion paper, we analyse stacked spectra and sub-samples of sources with high signal-to-noise temperature- and density-sensitive emission lines to derive the plasma properties of the outflowing ionized gas component. For these sources, we also study in detail various diagnostic diagrams to infer information about outflowing gas ionization mechanisms. We derive, for the first time, median values for electron temperature and density of outflowing gas from medium-size samples ($\sim 30$ targets) and stacked spectra of AGNs. Evidences of shock excitation are found for outflowing gas. We measure electron temperatures of the order of $\sim 1.7 imes10^4$ K and densities of $\sim 1200$ cm$^{-3}$ for faint and moderately luminous AGNs (intrinsic X-ray luminosity $40.5

연구 동기 및 목표

• AGN에 의해 유도된 유동에서 이온화된 기체의 물리 조건, 특히 전자 온도와 밀도를 특성화하는 것.
• 유동 질량 유량과 에너지계산에 있어 표준 가정(예: Ne = 100 cm⁻³)의 신뢰성 평가.
• 진단 다이어그램과 발광선 비율을 사용하여 유동 기체의 이온화 메커니즘 조사.
• 플라즈마 특성이 AGN 활동과 은하 형성 간의 피드백 모델링에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• z < 0.8인 563개의 X선/SDSS AGN에 대한 스택드 스펙트럼 분석을 통해 전자 온도 및 밀도에 민감한 선을 강화하여 신호대비잡음 향상.
• 고신호대비잡음 [S II] λλ6716,6731 및 [O III] λ4363 선을 가진 서브샘플을 분리하고 분석하여 전자 밀도 및 온도의 직접 측정.
• 진단 다이어그램(BPT 등)을 사용하여 이온화 메커니즘 추론 및 광이온화와 충격 자극 간 구분.
• Hβ-[O III] 및 Hα-[N II] 영역에서 좁은, 넓은, 유동 성분을 분리하기 위해 다성분 스펙트럼 피팅 적용.
• 유래된 플라즈마 특성을 기존 문헌 및 이론 모델과 비교하여 일관성 평가 및 차이점 식별.
• 스펙트럼 분해 및 운동학 모델링 향상을 위해 페널티 픽셀 피팅(pPXF) 및 비모수적 방법 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 40.5 < log(LX) < 44인 약간 어두운 AGN에서 유동하는 이온화된 기체의 중간 전자 온도와 밀도는 무엇인가?
• RQ2 유래된 플라즈마 특성이 유동 에너지계산에서 일반적으로 가정되는 Ne = 100 cm⁻³에 어떻게 도전하는가?
• RQ3 관측된 유동 기체의 주요 이온화 메커니즘은 무엇인가(예: 광이온화 대비 충격 자극)?
• RQ4 발광 성분 간의 공간적 및 운동학적 분리가 진단 다이어그램 해석에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 측정된 플라즈마 특성은 AGN 피드백 및 ISM 결합 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 스택드 스펙트럼과 고신호대비잡음 [O III] λ4363 선을 기반으로, 어두운에서 중간 밝기 AGN에서 유동하는 이온화된 기체의 중간 전자 온도는 약 ~1.7×10⁴ K로 측정되었다.
• 중간 전자 밀도는 약 ~1200 cm⁻³로 측정되었으며, 68% 신뢰구간은 700에서 3000 cm⁻³ 사이였다.
• 진단 다이어그램을 통해 충격 자극의 증거를 발견하였으며, 특히 유동 성분에서 높은 [S II]/Hα 및 [O I]/Hα 복사율 비율을 통해 확인되었다.
• 일반적으로 가정되는 전자 밀도 Ne = 100 cm⁻³는 유동 질량 유량과 에너지계산에서 최대 10배까지 과대평가를 초래할 수 있다.
• 이전 연구들(예: Xu et al. 2007)과의 괴리점은 이전 분석에서 해상도가 부족하고 성분 분리가 이루어지지 않은 데 기인한다.
• 높은 이온화선인 [Fe X] 및 [Ne V]에서 관측된 고밀도 영역(최대 약 ~10⁵ cm⁻³)은 kpc 규모의 유동이 아니라 더 조밀하고 내측 영역을 나타낸다.