[论文解读] Multiwavelength campaign on Mrk 509. VI. HST/COS observations of the far-ultraviolet spectrum

G. A. Kriss, Nahum Arav+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用 33

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜的宇宙起源光谱仪（COS）获得了塞弗特1型星系Mrk 509的最高信噪比远紫外光谱，揭示了来自外流、宿主星系弥散介质以及可能的吸积物质的复杂多相吸收。该研究识别出14个运动学组分，通过变异性分析为最蓝移的组分设定了<250 pc的距离上限，另一组分则为<1.5 kpc，并将部分覆盖效应归因于核区附近扩展区域的散射光。

ABSTRACT

We present medium resolution (R~20,000) HST/COS ultraviolet spectra covering 1155-1760 A of the Seyfert 1 Mrk 509 obtained simultaneously with a Chandra/LETGS spectrum as part of a multiwavelength campaign in 2009 that included observations with XMM-Newton, SWIFT, and Integral. Our high S/N spectrum detects additional complexity in the absorption troughs from a variety of sources in Mrk 509, including the outflow from the active nucleus, the ISM and halo of the host galaxy, and infalling clouds or stripped gas from a merger that are illuminated by the AGN. Variability between the STIS and COS observation of the -400 km/s component allows us to set an upper limit on its distance of &lt; 250 pc. Similarly, variability of a component at +150 km/s between two prior FUSE observations limits its distance to &lt; 1.5 kpc. The UV absorption only partially covers the emission from the AGN nucleus. Covering fractions are lower than those previously seen with STIS, and are comparable to those seen with FUSE. Given the larger apertures of COS and FUSE compared to STIS, we favor scattered light from an extended region near the AGN as the explanation for the partial covering. As observed in prior X-ray and UV spectra, the UV absorption has velocities comparable to the X-ray absorption, but the bulk of the ultraviolet absorption is in a lower ionization state with lower total column density than the gas responsible for the X-ray absorption. We conclude that the outflow from the active nucleus is a multiphase wind.

研究动机与目标

• 利用HST/COS对Mrk 509进行前所未有的高信噪比远紫外光谱分析，以研究电离外流及吸收组分。
• 通过比较COS、STIS和FUSE观测中的变异性，确定吸收气体的空间位置与运动学特性。
• 研究紫外吸收线中部分覆盖现象的成因，特别是核区附近扩展区域散射光的作用。
• 表征吸收气体的电离状态与柱密度，并与X射线吸收组分进行比较。
• 通过分析多个吸收组分的电离水平与运动学特性，判断Mrk 509的外流是单相还是多相风。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜上的宇宙起源光谱仪（COS）获取Mrk 509的中等分辨率（λ/Δλ ~ 20,000）远紫外光谱（1155–1760 Å）。
• 应用专门的波长、平场及线扩散函数校准，以提升数据质量与信噪比。
• 将COS光谱与先前的STIS和FUSE观测进行比较，检测吸收线随时间的变异性。
• 基于N v及其他电离物种的变异性，利用复合 timescale 论证估算气体密度的下限与距核距离的上限。
• 分析交叉色散轮廓，以约束导致吸收深度残余光的散射区域的空间范围。
• 将紫外吸收的运动学特性与X射线吸收特征及光学发射线（如[O iii]）相关联，以识别吸收组分的来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于其柱密度的变异性，Mrk 509中最蓝移的紫外吸收组分的空间范围与距离是多少？
• RQ2 为何紫外吸收线表现出部分覆盖现象？何种物理机制（如散射光）可解释吸收深度中残余通量的成因？
• RQ3 Mrk 509中紫外吸收气体的电离状态与柱密度如何与X射线吸收气体的特性相比较？
• RQ4 Mrk 509远紫外光谱中复杂的多组分吸收结构的成因是什么？
• RQ5 Mrk 509的外流是单相还是多相风？其证据是什么？

主要发现

• 最蓝移的紫外吸收组分（组分#1）相比STIS观测，其Lyα柱密度显著降低，而N v柱密度则升高，表明存在变异性。
• 基于复合 timescale 论证，组分#1的距离上限为<250 pc，气体密度下限为>160 cm⁻³。
• FUSE数据中观测到的组分#6（1999–2000年）表现出与<1.5 kpc距离上限及>6 cm⁻³密度下限一致的变异性。
• COS光谱中吸收深度底部的残余光与FUSE观测相当，表明来自核区附近扩展区域的散射。
• 散射区域的空间范围被限制在<0.5角秒（<170 pc）以内，与电离锥底部的电子散射一致。
• 紫外吸收来自多个来源：一个处于系统速度的低电离组分（可能为宿主星系的ISM或晕），一个具有高速度的组分（类似银河系的Complex C），以及来自活动星核的高电离、蓝移外流。