[論文レビュー] The X-ray evolving universe: (ionized) absorption and dust, from nearby Seyfert galaxies to high-redshift quasars

S. Komossa, G. Hasinger|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、近接したセイフェルト銀河から高赤方偏移クェเซアまでの活動銀河核（AGN）におけるX線吸収体の、前例のない高分解能分光測定を可能にする未来のX線望遠鏡XEUSの可能性を提案している。これにより、金属のフルエンス、ダストの組成、ガスの速度場、イオン化状態の精密測定が可能になる。主な貢献は、冷たいダストと冷たいガスに含まれる金属のKエッジを別々に解像することであり、高赤方偏移における初期星形成および宇宙論的パラメータの探査に鉄の吸収特徴を用いることである。

ABSTRACT

(Abridged) Cold and warm absorbers have beeen detected in all types of active galaxies (AGN) from low to high redshift. This gas, located in the black hole region of AGN, is thought to play an important role in AGN unification scenarios, in explaining the X-ray background, in black hole growth and AGN evolution. We provide a review of the observations of dusty and dust-free warm and cold absorbers at low and high redshift, including most recent results and exciting questions still open. Emphasis is on the science issues that we will be able to address with XEUS for the first time, particularly at high redshift, including: (i) determination of metal abundances of X-ray (cold) absorbers by detection of metal absorption edges, (ii) analysis of the composition of dust mixed with cold and ionized gas (K-edges of metals in cold dust and cold gas will be resolvable from each other for the first time), (iii) measurement of the velocity field of the gas, (iv) utilization of these results to investigate the evolution of gas and dust in AGN from high to low redshift: the evolution of abundances, dust content, ionization state, amount and velocity of gas, and its role in feeding the black hole. We emphasize the importance of iron absorption measurements with XEUS at high redshift for two key issues of cosmology: the early star formation history of the universe, and the measurement of cosmological parameters. As an example, we discuss recent XMM-Newton observations of the high-redshift BAL quasar APM 08279+5255.

研究の動機と目的

• 宇宙時間にわたるX線吸収を研究することで、AGN統一理論と進化に関する未解決の問いに応える。
• 現在のX線ミッションがAGNにおける複雑で多成分の吸収体を解像する能力に制限を受けるのを克服する。
• 将来のX線感度を活用して、高赤方偏移における金属のフルエンスとダストの組成を研究可能にする。
• 宇宙歴史にわたる超大質量ブラックホールの給餡におけるガスとダストの役割を調査する。
• 高赤方偏移における鉄の吸収特徴を用いて、初期星形成の歴史と宇宙論的パラメータを制約する。

提案手法

• ChandraおよびXMM-Newtonの高分解能X線分光測定を、将来のXEUS観測の基盤として活用する。
• X線スペクトルにおける金属吸収エッジ（例：Fe、O、Ne）の検出と分離により、元素のフルエンスを測定する。
• XEUSのエネルギー分解能を活用して、冷たいダストに含まれる金属のKエッジと冷たいガスに含まれる金属のKエッジを初めて別々に解像する。
• 狭帯域吸収線とそのプロファイルを用いて、イオン化ガスの速度場をモデル化する。
• スペクトルフィッティング技術を適用して、相対論的ディスクラインや散乱効果から吸収特徴を分離する。
• 高赤方偏移クェーサーにおける観測されたFe/OおよびFe/Ne比を用いて、核合成のタイムスケールと宇宙論モデルを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移におけるAGNの冷たい吸収体およびイオン化吸収体の金属のフルエンスは何か。また、それらはどのように進化するか？
• RQ2 X線吸収エッジを用いて、冷たいガスおよびイオン化ガスに混合されたダストの組成を独立して測定する方法は何か？
• RQ3 AGNにおけるX線吸収体の速度構造とイオン化状態は何か。また、それらはブラックホールの給餡とどのように関係するか？
• RQ4 高赤方偏移クェーサーにおける鉄の吸収特徴は、宇宙の初期星形成歴史をどのように制約するか？
• RQ5 鉄の吸収特徴は、宇宙論的距離指標として用いられ、宇宙論的パラメータを測定するのに利用可能か？

主な発見

• XMM-Newtonによる高赤方偏移BALクェーサーAPM 08279+5255の観測で、Fe/O比が約3であることが判明し、これはIa型超新星からの寄与が顕著であることを示唆している。
• z = 3.91における観測されたFe/O比3は、その赤方偏移で宇宙が0.9 Gyrより古いかつ、Ω_m ≈ 0.3およびΩ_Λ ≈ 0.7の宇宙論モデルを支持する。
• Hamann & Ferland (1993)のモデルでは、Fe/O = 3×太陽値に達するまでの時間スケールは約3 Gyrと推定され、高赤方偏移における十分に古い宇宙が必要であることを示している。
• XEUSは、冷たいダストと冷たいガスに含まれる金属のKエッジを初めて別々に解像し、正確な組成分析を可能にする。
• XEUSの高エネルギー軟X線感度は、鉄のフルエンスが低下する高赤方偏移において酸素およびネオンのエッジを検出するために不可欠である。
• 高赤方偏移AGNにおける鉄の吸収特徴は、宇宙論的パラメータを測定し、初期星形成を制約するための新たな道筋を提供する。