[論文レビュー] The Soft-Excess in Mrk 509: Warm Corona or Relativistic Reflection?

Javier A. García, Erin Kara+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 102被引用数 27

ひとこと要約

本研究は、同時観測によるNuSTARおよびSuzakuのX線データを用いて、セイフェルト1型銀河Mrk 509におけるソフト過剰の起源を調査する。温かいコロナモデルと相対論的反射を比較した結果、両者はデータのフィットに同等に適しているが、予測される強い吸収のため、温かいコロナモデルは物理的に不実在であると結論づけられ、代わりに高密度で相対論的にぼやけた反射スペクトルが内側の降着円盤から来ていると考えるのがより妥当である。ただし、この結論を確認するにはさらなる観測が必要である。

ABSTRACT

We present the analysis of the first NuSTAR observations ($\sim 220$ ks), simultaneous with the last SUZAKU observations ($\sim 50$ ks), of the active galactic nucleus of the bright Seyfert 1 galaxy Mrk 509. The time-averaged spectrum in the $1-79$ keV X-ray band is dominated by a power-law continuum ($Γ\sim 1.8-1.9$), a strong soft excess around 1 keV, and signatures of X-ray reflection in the form of Fe K emission ($\sim 6.4$ keV), an Fe K absorption edge ($\sim 7.1$ keV), and a Compton hump due to electron scattering ($\sim 20-30$ keV). We show that these data can be described by two very different prescriptions for the soft excess: a warm ($kT\sim 0.5-1$ keV) and optically thick ($τ\sim10-20$) Comptonizing corona, or a relativistically blurred ionized reflection spectrum from the inner regions of the accretion disk. While these two scenarios cannot be distinguished based on their fit statistics, we argue that the parameters required by the warm corona model are physically incompatible with the conditions of standard coronae. Detailed photoionization calculations show that even in the most favorable conditions, the warm corona should produce strong absorption in the observed spectrum. On the other hand, while the relativistic reflection model provides a satisfactory description of the data, it also requires extreme parameters, such as maximum black hole spin, a very low and compact hot corona, and a very high density for the inner accretion disk. Deeper observations of this source are thus necessary to confirm the presence of relativistic reflection, and to further understand the nature of its soft excess.

研究の動機と目的

• Mrk 509、明るいセイフェルト1型AGNのX線スペクトルにおけるソフト過剰の物理的起源を特定すること。
• ソフト過剰が温かい、光学的に厚いコロナに起因するのか、それとも降着円盤からの電離された反射に起因するのかを検証すること。
• 極端な条件下での予測スペクトル的特徴を評価することにより、温かいコロナモデルの物理的妥当性を検討すること。
• 最大スピンのブラックホールや高密度ディスクを必要とするが、それでも相対論的反射モデルが物理的に妥当な説明であるかを評価すること。
• 競合するモデルの間のデゲネラシーを解消するため、より深い観測および今後のミッションの必要性を特定すること。

提案手法

• 1–79 keV帯で220 ksのNuSTARおよび50 ksのSuzaku同時観測データを統合し、スペクトルの共同フィッティングを実施した。
• 温度kT ≈ 0.5–1 keV、光学的厚さτ ≈ 10–20の温かいコロナ成分を用いてソフト過剰をモデル化した。
• relxillおよびxillverコードを用いた相対論的反射モデルと比較し、相対論的ぼやけおよびイオン化効果を組み込んだ。
• 写真イオン化および放射線輸送計算を詳細に実施し、温かいコロナ状況下での光学的特性およびスペクトル的特徴を評価した。
• ソフトX線帯域における予測される吸収特徴に、トムソン断面積と原子的断面積の影響を評価した。
• MYtorus、Borus02、xstarを含むモデルを用いたxspecソフトウェアパッケージを用い、反射および透過効果をシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mrk 509のソフト過剰は、温かい、光学的に厚いコロナによって説明可能か、それとも相対論的反射によってより適切に記述されるか？
• RQ2 温かいコロナモデルが要求する物理的パラメータは、標準的なコロナ物理学および観測されたスペクトル的特徴と整合的か？
• RQ3 温かいコロナモデルは、観測された特徴のないソフト過剰と矛盾する強い原子的吸収特徴を予測するか？
• RQ4 最大スピンのブラックホールおよび高密度ディスクを必要とするが、相対論的反射モデルは物理的に妥当な説明であるか？
• RQ5 どの観測的制約または今後のミッションが、2つの競合モデルを明確に区別できるか？

主な発見

• 温度kT ≈ 0.5–1 keV、光学的厚さτ ≈ 10–20の温かいコロナモデルは、ソフト過剰に対して統計的に許容できるフィットを示すが、強い原子的吸収特徴を予測する。
• 写真イオン化計算により、最も好都合な状況下でも、温かいコロナは検出可能な吸収を生じると判明し、観測された特徴のないソフト過剰と矛盾する。
• 相対論的反射モデルはデータに良好にフィットし、物理的により妥当であるが、最大ス pin のブラックホール、コンactなコロナ、および高密度ディスクを必要とする。
• 6.4 keVにおけるFe Kα線、7.1 keVにおける吸収エッジ、および20–30 keVにおけるコンプトンへくの存在は、反射成分が反射起源であることを支持する。
• 2つのモデルはフィット品質においてデゲネラシーを示しており、現在のデータだけでは区別が不可能である。
• 今後のミッション（例：XRISM、Athena、Lynx）のマイクロカロリメータおよび広帯域ハードX線応答（例：HEX-P、STROBE-X）が、デゲネラシーを解消するために不可欠である。