[논문 리뷰] The XMM deep survey in the CDF-S. X. X-ray variability of bright sources

S. Falocco, M. Paolillo외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 29.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 53인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 XMM-CDFS 설문 조사에서 10개의 밝고 투명한 AGN에 대해 3 Ms의 XMM-Newton 관측 자료를 이용하여 X선 변동성을 분석한다. 전체 소스에서 광도 변동성이 흔한 것으로 나타났지만, 특히 광학적 지수와 열역학적 밀도에서의 스펙트럼 변동성은 드물게 발견되었으며, 유일하게 하나의 소스(337)에서 99% 신뢰수준에서 더 밝을수록 더 기울어지는 경향이 유의미하게 나타났다. 이는 콜드먼화 모델과 일치한다. 결과적으로 광도 변동성은 주로 주 원천 연속 스펙트럼의 정규화 변화 때문이며, 스펙트럼이나 흡수 변화 때문이 아니라고 보여진다.

ABSTRACT

We aim to study the variability properties of bright hard X-ray selected Active Galactic Nuclei (AGN) with redshift between 0.3 and 1.6 detected in the Chandra Deep Field South (XMM-CDFS) by a long XMM observation. Taking advantage of the good count statistics in the XMM CDFS we search for flux and spectral variability using the hardness ratio techniques. We also investigated spectral variability of different spectral components. The spectra were merged in six epochs (defined as adjacent observations) and in high and low flux states to understand whether the flux transitions are accompanied by spectral changes. The flux variability is significant in all the sources investigated. The hardness ratios in general are not as variable as the fluxes. Only one source displays a variable HR, anti-correlated with the flux (source 337). The spectral analysis in the available epochs confirms the steeper when brighter trend consistent with Comptonisation models only in this source. Finding this trend in one out of seven unabsorbed sources is consistent, within the statistical limits, with the 15 % of unabsorbed AGN in previous deep surveys. No significant variability in the column densities, nor in the Compton reflection component, has been detected across the epochs considered. The high and low states display in general different normalisations but consistent spectral properties. X-ray flux fluctuations are ubiquitous in AGN. In general, the significant flux variations are not associated with a spectral variability: photon index and column densities are not significantly variable in nine out of the ten AGN over long timescales (from 3 to 6.5 years). The photon index variability is found only in one source (which is steeper when brighter) out of seven unabsorbed AGN. These results are consistent with previous deep samples.

연구 동기 및 목표

• Chandra Deep Field South의 밝고 딱딱한 X선으로 선택된 AGN에서 깊은 XMM-Newton 관측을 통해 X선 광도 및 스펙트럼 변동성을 조사한다.
• 광도 변동성이 광학적 지수, 열역학적 밀도 및 반사 성분에서의 스펙트럼 형태 변화와 함께 발생하는지 확인한다.
• 변동성이 원자력 상태 변화(예: 콜드먼화) 또는 선로를 따라 변화하는 흡수로 인한 것인지 평가한다.
• 이전의 깊은 설문 조사와 비교하여, 투명한 AGN에서의 스펙트럼 변동성 비율의 일관성을 시험한다.
• 고광도 상태와 저광도 상태에서 좁은 철 라인과 콜드먼 반사 성분의 안정성을 검토한다.

제안 방법

• 33개의 XMM-Newton 관측 자료를 이용하여 총 약 3 Ms의 자료를 활용하여 0.5–8 keV 대역에서의 광도 곡선를 생성하였으며, MOS1 및 MOS2 자료를 결합하고 광학적 품질 검사를 실시하였다.
• 경도 비율(HR) 기법을 적용하여 스펙트럼 변동성을 탐색하였으며, 각 시점에서의 HR을 광도 변화와 비교하였다.
• 여섯 개의 시간 순서로 나누어진 시점과 고/저광도 상태에서 XSPEC를 사용하여 스펙트럼 피팅을 실시하였으며, 파wr-법칙, 흡수, 반사 및 방출선 성분을 모델링하였다.
• 광도와 HR 간의 상관관계, 광도와 광학적 지수 간의 상관관계를 테스트하기 위해 선형 회귀 분석을 실시하였다.
• F-검정 및 신뢰구간을 사용하여 스펙트럼 매개변수(광학적 지수, N_H, 반사 정규화, 철 라인 등가폭)의 변동성을 평가하였다.
• 광도 상태 간의 연속 스펙트럼 성분과 좁은 철 라인의 안정성을 평가하였으며, 특히 연속 스펙트럼에 의한 희석 효과를 검토하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밝은 AGN에서 X선 광도 변동성이 광학적 지수나 열역학적 밀도에서의 유의미한 스펙트럼 변동성과 함께 발생하는가?
• RQ2 콜드먼화 또는 원자력 상태 변화를 시사하는 '더 밝을수록 더 부드럽다'는 경향이 고적색이면서 투명한 AGN에서 나타나는가?
• RQ3 관측된 광도 변동성이 주 원천 연속 스펙트럼 정규화 변화 때문인지, 아니면 변동하는 흡수나 반사로 인한 것인지?
• RQ4 고광도 상태와 저광도 상태에서 좁은 철 라인과 콜드먼 반사 성분이 안정적인가?
• RQ5 이 샘플에서 스펙트럼적으로 변동성이 있는 AGN의 비율은 이전의 깊은 설문 조사와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 연구된 10개의 AGN 전부에서 광도 변동성이 유의미하게 나타났으며, 3–6.5년 동안 어떤 소스에서도 감지 가능한 광도 변화가 없었다.
• 유일하게 하나의 소스(337)에서 경도 비율과 광도 사이에 유의미한 반비례 관계가 나타나 스펙트럼 변동성을 시사하였으며, 이는 99% 신뢰수준에서 더 밝을수록 더 기울어지는 경향과 일치한다.
• 스펙트럼적으로 변동성이 있는 AGN 비율(1/7개의 투명한 소스)은 이전의 깊은 설문 조사에서 관측된 15%와 통계적 한계 내에서 일치한다.
• 여섯 개의 시점 또는 고/저광도 상태에서 국소 흡수체의 열역학적 밀도나 콜드먼 반사 성분에 대해 유의미한 변동성이 관측되지 않았다.
• 두 개의 소스(319, 337)에서 고광도 상태와 저광도 상태 양쪽에서 좁은 철 라인이 감지되었으며, 등가폭이 유사하였다. 다른 세 개의 소스(203, 33, 352)에서는 저광도 상태에서만 철 라인이 감지되었으며, 이는 고광도 상태에서 연속 스펙트럼에 의한 희석 효과 때문일 가능성이 높다.
• 두 개의 소스(352, 48)에서 경도 비율이 높아 콜드먼 반사 성분이 필요로 했지만, 이 성분은 변동성이 없었으며, 이는 먼 반사원에서 기인할 가능성을 지지한다.