[논문 리뷰] ASTRO-H White Paper - AGN Winds

J. S. Kaastra, Yuichi Terashima외 24명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 03.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ASTRO-H의 소프트 X선 스펙트로미터(SXS)를 사용하여 빛나는 AGN인 PDS 456의 초고속 외류를 정밀하게 측정하는 것을 제안한다. 5 eV의 에너지 해상도를 활용해 블루쉬프트된 철 K-shell 흡수선을 해상할 수 있으며, 시뮬레이션 결과 SXS는 9.37 keV와 9.01 keV에 위치한 두 가지 중요한 흡수 특징을 탐지할 수 있다. 이는 헬륨 유사 및 수소 유사 철 전이로 확인되며, 외류 속도는 빛의 속도의 34.4 ± 0.3%로 높은 통계적 유의성(5σ)을 보인다.

ABSTRACT

In this white paper we describe the prospects for ASTRO-H for the study of outflows from active galactic nuclei. The most important breakthroughs in this field are expected to arise from the high spectral resolution and sensitivity in the Fe-K band, combined with broad-band sensitivity over the full X-ray band and spectral capabilities also at lower energies. The sensitivity in the Fe-K region allows to extend the absorption measure distribution of the outflow out to the highest ionisation states accessible, where observations with current X-ray missions indicate that most of the outflowing gas is to be found. Due to the high-resolution and sensitivity it will also be able to give the definitive proof for the existence of ultra-fast outflows, and if so, characterise their physical properties in great detail. These ultra-fast outflows carry very large amounts of energy and momentum, and are of fundamental importance for feedback studies. We show how the ASTRO-H observations in general can help to constrain numerical models for outflows. The link to reflection and emission processes is also discussed, as well as the possible relation between outflows and relativistic emission lines. Finally, we discuss the prospects for other related categories of objects like BAL quasars, partially covered sources and Compton thick outflows.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 X선 스펙트로스코피를 활용해 빛나는 AGN인 PDS 456의 초고속 외류의 물리적 성질을 조사한다.
• 시뮬레이션된 SXS 관측을 통해 흡수 기체의 외류 속도, 이온화 상태 및 열두께를 결정한다.
• ASTRO-H SXS 기구가 블루쉬프트된 철 K-shell 흡수선을 해상하고 탐지할 수 있는지 평가한다.
• 온난한 흡수체와 이온화된 반사 성분을 사용하여 PDS 456의 X선 스펙트럼을 모델링하여 관측된 스펙트럼 특징을 재현한다.
• 5–10 keV 대역에서 가우시안 선 피팅을 통해 흡수 특징의 유의성을 정량화한다.

제안 방법

• 100 ks 노출 시간과 5 eV 에너지 해상도, 적절한 재분포 매트릭스(RMF) 및 보조 응답(ARF) 파일을 사용하여 PDS 456의 시뮬레이션된 SXS 스펙트럼을 생성한다.
• 파워 레인지, 온난한 흡수체(XSTAR 분석 모델), 이온화된 반사(REFLIONX in XSPEC) 성분의 조합을 사용하여 스펙트럼을 모델링한다.
• 스펙트럼 모델 적용: $ F(E) = \text{exp}(-\text{σ}(E)N_{\text{H}}^{\text{Gal}}) \times (\text{WA}(\text{ξ}_{\text{WA}}, N_{\text{H}}^{\text{WA}}, v_{\text{out}}) \times A_{\text{pl}}E^{-\text{Γ}} + \text{REF}(\text{ξ}_{\text{REF}}, A_{\text{REF}})) $, 여기서 WA와 REF는 온난한 흡수와 반사를 각각 나타낸다.
• 5–10 keV 대역에 단일 파워 레인지와 두 개의 음성 가우시안 성분을 사용하여 흡수 특징을 분리한다.
• XSPEC 피팅 팩키지를 사용하여 에너지, 너비, 플럭스 및 등가 폭을 포함한 선 매개변수를 68% 신뢰구간으로 유도한다.
• Behar 등(2010)에 기반해 흡수체의 난류 속도를 2,500 km s⁻¹로 가정하고, Suzaku 2007 데이터에서 유도된 다른 매개변수를 고정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ASTRO-H SXS로 측정한 AGN PDS 456의 이온화 기체 외류 속도는 얼마인가?
• RQ2 SXS 기구는 9.37 keV와 9.01 keV에 위치한 블루쉬프트된 철 K-shell 흡수선을 고유의 해상도로 해상하고 높은 유의성으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 관측된 스펙트럼 특징을 일으킨 흡수 기체의 이온화 상태와 열두께는 무엇인가?
• RQ4 SXS는 PDS 456의 X선 스펙트럼에서 온난한 흡수체와 반사 성분을 얼마나 잘 구별할 수 있는가?
• RQ5 5–10 keV 대역에서 탐지된 흡수 특징의 통계적 유의성은 얼마인가?

주요 결과

• 시뮬레이션된 SXS 스펙트럼은 기준 프레임에서 9.37 keV와 9.01 keV에 위치한 두 가지 유의미한 흡수 특징을 탐지하였으며, 이는 5σ를 초월하는 유의성 수준을 보였다.
• 에너지와 선 너비에 기반해 이 흡수 특징은 각각 헬륨 유사 및 수소 유사 철 K-shell 전이로 확인되었다.
• 외류 속도는 빛의 속도의 34.4 ± 0.3%로 측정되었으며, 이는 약 103,000 km s⁻¹에 해당한다.
• 9.37 keV 선의 등가 폭은 0.25 ± 0.02 keV였고, 9.01 keV 선은 0.24 ± 0.04 keV의 등가 폭을 보였다.
• 선 너비는 각각 90 eV와 101 eV였으며, 고속 외류에 의한 도플러 브로드닝과 일치했다.
• 두 음성 가우시안 성분을 포함한 모델 피팅은 흡수 특징의 통계적 우수성을 확인하였으며, 이는 물리적 기원을 뒷받침한다.