[论文解读] ASTRO-H White Paper - AGN Winds

J. S. Kaastra, Yuichi Terashima+24 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 3

一句话总结

本文提出利用ASTRO-H软X射线光谱仪（SXS）精确测量明亮AGN PDS 456中极端高速喷流，借助其5 eV能量分辨率解析蓝移的铁K壳层吸收线。模拟结果表明，SXS可在9.37 keV和9.01 keV处检测到两个显著吸收特征，分别对应He-like和H-like铁，测得喷流速度为光速的34.4 ± 0.3%（具有高统计显著性，5σ）。

ABSTRACT

In this white paper we describe the prospects for ASTRO-H for the study of outflows from active galactic nuclei. The most important breakthroughs in this field are expected to arise from the high spectral resolution and sensitivity in the Fe-K band, combined with broad-band sensitivity over the full X-ray band and spectral capabilities also at lower energies. The sensitivity in the Fe-K region allows to extend the absorption measure distribution of the outflow out to the highest ionisation states accessible, where observations with current X-ray missions indicate that most of the outflowing gas is to be found. Due to the high-resolution and sensitivity it will also be able to give the definitive proof for the existence of ultra-fast outflows, and if so, characterise their physical properties in great detail. These ultra-fast outflows carry very large amounts of energy and momentum, and are of fundamental importance for feedback studies. We show how the ASTRO-H observations in general can help to constrain numerical models for outflows. The link to reflection and emission processes is also discussed, as well as the possible relation between outflows and relativistic emission lines. Finally, we discuss the prospects for other related categories of objects like BAL quasars, partially covered sources and Compton thick outflows.

研究动机与目标

• 利用高分辨率X射线谱学研究明亮AGN PDS 456中超高速喷流的物理特性。
• 通过模拟SXS观测确定吸收气体的喷流速度、电离状态和柱密度。
• 评估ASTRO-H SXS仪器对蓝移铁K壳层吸收线的可探测性。
• 利用暖吸收体和电离反射组分建模PDS 456的X射线谱，以重现观测到的谱线特征。
• 使用高斯线拟合量化5–10 keV波段吸收特征的显著性

提出的方法

• 使用100 ks曝光时间、5 eV能量分辨率以及适当的响应矩阵（RMF）和辅助响应（ARF）文件，模拟PDS 456的SXS谱。
• 采用幂律、暖吸收体（XSTAR解析模型）和电离反射（XSPEC中的REFLIONX）组分组合建模谱。
• 应用谱模型：$ F(E) = \text{exp}(-\text{σ}(E)N_{\text{H}}^{\text{Gal}}) \times (\text{WA}(\text{ξ}_{\text{WA}}, N_{\text{H}}^{\text{WA}}, v_{\text{out}}) \times A_{\text{pl}}E^{-\text{Γ}} + \text{REF}(\text{ξ}_{\text{REF}}, A_{\text{REF}})) $，其中WA和REF分别代表暖吸收和反射。
• 在5–10 keV波段使用单个幂律和两个负高斯组分拟合，以分离吸收特征。
• 使用XSPEC拟合软件推导线参数，包括能量、线宽、流量和等效宽度，并给出68%置信区间。
• 基于Behar等（2010）的研究，假设吸收体的湍流速度为2,500 km s⁻¹，并根据Suzaku 2007年数据固定其他参数

实验结果

研究问题

• RQ1 ASTRO-H SXS测量的AGN PDS 456中电离气体的喷流速度是多少？
• RQ2 SXS仪器能否以高显著性分辨并探测到9.37 keV和9.01 keV处的蓝移铁K壳层吸收线？
• RQ3 导致观测谱线特征的吸收气体的电离状态和柱密度是什么？
• RQ4 SXS在PDS 456的X射线谱中多大程度上能区分暖吸收体和反射组分？
• RQ5 在5–10 keV波段检测到的吸收特征具有多高的统计显著性？

主要发现

• 模拟的SXS谱在源系中9.37 keV和9.01 keV处检测到两个显著吸收特征，显著性超过5σ。
• 根据能量和线宽，这两个吸收特征分别被识别为He-like和H-like铁K壳层跃迁。
• 测得喷流速度为光速的34.4 ± 0.3%，相当于约103,000 km s⁻¹。
• 9.37 keV线的等效宽度为0.25 ± 0.02 keV，9.01 keV线的等效宽度为0.24 ± 0.04 keV。
• 线宽分别为90 eV和101 eV，与高速喷流引起的多普勒展宽一致。
• 采用两个负高斯组分的模型拟合提供了对吸收特征的统计稳健检测，证实其物理起源