[论文解读] A long term study of AGN X-ray variability. Structure function analysis on a ROSAT-XMM quasar sample

R. Middei, F. Vagnetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 57被引用 14

一句话总结

本研究利用ROSAT和XMM-Newton数据，对2,864个AGN在约20年宇宙 rest 框时间框架内的长期X射线变异性进行了结构函数分析。结果发现变异性持续增加，未出现平台期，表明软X射线辐射起源于大尺度结构，如扩展的温冕或外吸积盘区域，而非紧凑的内冕。

ABSTRACT

Variability in the X-rays is a key ingredient in understanding and unveiling active galactic nuclei (AGN) properties. In this band flux variations occur on short time scales (hours) as well as on larger times scales. While short time scale variability is often investigated in single source studies, only few works are able to explore flux variation on very long time scales.This work provides a statistical analysis of the AGN long term X-ray variability. We study variability on the largest time interval ever investigated for the 0.2-2 keV band, up to $\sim 20$ years rest-frame for a sample of 220 sources. Moreover, we study variability for 2,700 quasars up to $\sim 8$ years rest-frame in the same (soft) band.We build our source sample using the 3XMM serendipitous source catalogue data release 5, and data from ROSAT All Sky Survey Bright and Faint source catalogues. In order to select only AGN we use the Sloan Digital Sky Survey quasar catalogues data releases 7 and 12. Combining ROSAT and XMM-Newton observations, we investigate variability using the structure function analysis which describes the amount of variability as a function of the lag between the observations.Our work shows an increase of the structure function up to 20 years. We do not find evidence of a plateau in the structure function on these long time scales.The increase of the structure function at long time lags suggests that variability in the soft X-rays can be influenced by flux variations originated in the accretion disk or that they take place in a region large enough to justify variation on such long time scales.

研究动机与目标

• 在20年rest框架时间尺度上，对AGN的长期X射线变异性进行统计表征。
• 确定变异性在极长 timescales 上是否趋于饱和或持续增加。
• 通过分析结构函数行为，探究软X射线变异性物理起源。
• 评估观测到的变异性是否与来自扩展吸积盘区域或温冕的辐射一致。
• 通过使用2,864个类星体的大样本，最大限度减少个别异常源带来的偏差。

提出的方法

• 利用XMM-Newton的3XMM-DR5和ROSAT全天 Survey 明亮/暗淡源星表，构建了2,864个AGN的样本。
• 将源与SDSS类星体星表（DR7和DR12）进行交叉匹配，以确保AGN选择的准确性。
• 应用结构函数分析，量化变异性幅度随观测时间延迟的变化。
• 校正ROSAT与XMM-Newton之间的仪器灵敏度差异，以确保通量测量的一致性。
• 使用rest框架时间延迟，以考虑宇宙学时间膨胀效应，实现在不同红移下的可比性。
• 分析rest框架内约20年时间内的结构函数行为，以检测潜在的平台期或持续增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGN中的X射线变异性在长 timescales 上是否趋于饱和，或持续增加？
• RQ2 观测到的长期变异性是否与来自紧凑冕或扩展结构的辐射一致？
• RQ3 变异性 timescale 是否可与发射区的物理尺寸（如吸积盘或温冕）相关联？
• RQ4 软X射线（0.2–2 keV）的结构函数行为与吸积盘模型的预期相比如何？
• RQ5 什么物理机制可解释在20年时间延迟下结构函数未出现平台期的现象？

主要发现

• 在rest框架内，结构函数在20年内单调增加，未见平台期迹象。
• 平台期的缺失表明变异性不受与紧凑发射区相关的特征 timescale 限制。
• 观测到的长期变异性与来自扩展温冕或外吸积盘区域的辐射一致。
• 推断出的变异性 timescale 与吸积盘估计尺寸相符，尤其适用于质量在10^6–10^9 M☉范围内的黑洞。
• 结果支持软X射线过量发射起源于覆盖吸积盘大范围区域的温、光学厚冕的模型。
• 结构函数的持续增长表明变异性过程在通常短周期监测所探测的 timescales 之外仍持续发生。