[论文解读] A deep X-ray view of the bare AGN Ark120. IV. XMM-Newton and NuSTAR spectra dominated by two temperature (warm, hot) Comptonization processes

D. Porquet, J. N. Reeves+17 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Jul 27, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 83被引用 38

一句话总结

本研究分析了对罕见无遮蔽AGN Ark 120的深度XMM-Newton与NuSTAR观测，发现其X射线谱最合理的解释是存在两个独立的康普顿化成分：一个温暖、光学厚的冕产生软X射线超出部分（kTₑ ≈ 0.5 keV，τ ≈ 9），另一个高温、光学薄的冕主导硬X射线连续谱。宽Fe Kα线与较弱的康普顿凸起源于在数十个引力半径处的吸积盘的相对论性反射，反射分数较低（ℛ ≈ 0.3），表明冕对吸积盘存在部分遮蔽。

ABSTRACT

We perform an X-ray spectral analysis of the brightest and cleanest bare AGN known so far, Ark 120, in order to determine the process(es) at work in the vicinity of the SMBH. We present spectral analysis of data from an extensive campaign observing Ark 120 in X-rays with XMM-Newton (4$ imes$120 ks, 2014 March 18-24), and NuSTAR (65.5 ks, 2014 March 22). During this very deep X-ray campaign, the source was caught in a high flux state similar to the earlier 2003 XMM-Newton observation, and about twice as bright as the lower-flux observation in 2013. The spectral analysis confirms the "softer when brighter" behaviour of Ark 120. The four XMM-Newton/pn spectra are characterized by the presence of a prominent soft X-ray excess and a significant FeK$α$ complex. The continuum is very similar above about 3 keV, while significant variability is present for the soft X-ray excess. We find that relativistic reflection from a constant-density, flat accretion disk cannot simultaneously produce the soft excess, broad FeK$α$ complex, and hard X-ray excess. Instead, Comptonization reproduces the broadband (0.3-79 keV) continuum well, together with a contribution from a mildly relativistic disk reflection spectrum. During this 2014 observational campaign, the soft X-ray spectrum of Ark 120 below $\sim$0.5 keV was found to be dominated by Comptonization of seed photons from the disk by a warm ($kT_{ m e}$$\sim$0.5 keV), optically-thick corona ($τ$$\sim$9). Above this energy, the X-ray spectrum becomes dominated by Comptonization from electrons in a hot optically thin corona, while the broad FeK$α$ line and the mild Compton hump result from reflection off the disk at several tens of gravitational radii.

研究动机与目标

• 确定Ark 120中软X射线超出与宽Fe Kα线的物理起源，该源为罕见的无遮蔽AGN，遮蔽程度极低。
• 区分康普顿化与相对论性反射对0.3至79 keV能量范围内X射线连续谱的贡献。
• 研究冕的几何结构与光学深度如何影响观测到的X射线谱与反射特征。
• 检验2013年与2014年间冕的结构是否发生变化，从而影响相对论性反射的可探测性。

提出的方法

• 对2014年3月的480 ks XMM-Newton（pn）与65.5 ks NuSTAR观测数据进行超宽带X射线谱拟合。
• 采用双组分康普顿化模型拟合连续谱：一个温暖、光学厚的冕（τ ≈ 9，kTₑ ≈ 0.5 keV）与一个高温、光学薄的冕（kTₑ ≈ 100 keV）。
• 引入来自恒定密度、平坦吸积盘的相对论性模糊反射成分，以解释Fe Kα复合体与康普顿凸起。
• 使用反射分数（ℛ）作为诊断工具，推断冕的覆盖因子及其对反射可见性的影响。
• 将2014年数据与2013年观测进行对比，评估光谱变化与冕几何结构的演变。
• 通过RGS谱中的吸收特征考虑温吸收体的存在，确认Ark 120与AGN统一模型一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在遮蔽程度极低的‘无遮蔽’状态下，Ark 120中软X射线超出的物理过程是什么？
• RQ2 康普顿化是否足以解释完整的X射线连续谱，还是必须引入相对论性反射才能解释Fe Kα复合体与硬X射线超出？
• RQ3 冕的几何结构与光学深度如何影响观测到的反射谱与相对论性特征的可探测性？
• RQ4 为何2014年检测到宽Fe Kα线而2013年未检测到，尽管吸积状态相似？
• RQ5 反射分数低（ℛ ≈ 0.3）对冕的覆盖因子与空间结构有何含义？

主要发现

• 在~0.5 keV以下的软X射线超出主要由温暖、光学厚的冕对盘面种子光子的康普顿化主导，其温度kTₑ ≈ 0.5 keV，光学深度τ ≈ 9。
• 在~0.5 keV以上，硬X射线连续谱最符合高温、光学薄冕的康普顿化模型，其温度kTₑ ≈ 100 keV。
• 宽Fe Kα线与较弱的康普顿凸起可通过位于数十个引力半径处的吸积盘的相对论性模糊反射成分重现。
• 反射分数ℛ ≈ 0.3表明冕对吸积盘存在部分遮蔽，与覆盖因子低于~85%一致。
• 2014年观测中检测到相对论性反射，而2013年未检测到，表明冕的几何结构或覆盖因子在时间上发生了变化。
• 缺乏强吸收特征且温吸收体位于视线方向之外，确认Ark 120为符合统一模型的无遮蔽AGN。