[论文解读] Multiwavelength campaign on Mrk 509 VII. Relative abundances of the warm absorber

K. C. Steenbrugge, J. S. Kaastra+15 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 61被引用 14

一句话总结

本研究利用多波段观测活动中对塞弗特1型星系Mrk 509的暖吸收体中碳、氮、氖、镁、硅、钙和铁相对于氧的精确相对丰度进行了测定，采用的是高分辨率XMM-Newton RGS和Chandra LETGS光谱。结果表明，除硫元素略为缺损外，大多数元素的丰度比接近原太阳系丰度比，为活动星系核环境中的核合成过程提供了有力约束。

ABSTRACT

Context. The study of abundances in the nucleus of active galaxies allows us to investigate the evolution of abundance by comparing local and higher redshift galaxies. However, the methods used so far have substantial drawbacks or rather large uncertainties. Some of the measurements are at odds with the initial mass function derived from the older stellar population of local elliptical galaxies. Aims. We determine accurate and reliable abundances of C, N, Ne, and Fe relative to O from the narrow absorption lines observed in the X-ray spectra of Mrk 509. Methods. We use the stacked 600 ks XMM-Newton RGS and 180 ks Chandra LETGS spectra. Thanks to simultaneous observations with INTEGRAL and the optical monitor on-board XMM-Newton for the RGS observations and HST-COS and Swift for the LETGS observations, we have an individual spectral energy distribution for each dataset. Owing to the excellent quality of the RGS spectrum, the ionisation structure of the absorbing gas is well constrained, allowing for a reliable abundance determination using ions over the whole observed range of ionisation parameters. Results. We find that the relative abundances are consistent with the proto-solar abundance ratios: C/O = 1.19$\pm$0.08, N/O = 0.98$\pm$0.08, Ne/O = 1.11$\pm$0.10, Mg/O = 0.68$\pm$0.16, Si/O = 1.3$\pm$0.6, Ca/O = 0.89$\pm$0.25, and Fe/O = 0.85$\pm$0.06, with the exception of S, which is slightly under-abundant, S/O = 0.57$\pm$0.14. Our results, and their implications, are discussed and compared to the results obtained using other techniques to derive abundances in galaxies.

研究动机与目标

• 利用高分辨率X射线谱学方法，测定Mrk 509暖吸收体中关键元素（碳、氮、氖、铁等）的准确且可靠的相对丰度。
• 解决以往方法存在的丰度测量差异问题，这些方法因存在较大不确定度或系统性偏差而不可靠。
• 将所得丰度与原太阳系丰度比进行比较，并与其它天体物理环境中的丰度进行对比，以推断元素增丰历史及核过程。
• 通过吸收量分布模型和与类似活动星系核中独立丰度测量的交叉验证，确认结果的可靠性。
• 评估高红移类星体中基于宽发射线的丰度测定的可靠性，这些测定可能受到共振散射的影响而产生偏差。

提出的方法

• 利用叠加的600 ks XMM-Newton RGS和180 ks Chandra LETGS光谱，分析暖吸收体中的窄X射线吸收线。
• 通过INTEGRAL、XMM-Newton光学监测仪、HST-COS和Swift的同步多波段观测，为每个数据集提供了独立的谱能分布。
• 由于RGS具有高光谱分辨率，吸收气体的电离结构得以良好约束，从而在广泛的电离参数范围内实现了可靠的丰度测定。
• 通过将碳、氮、氖、镁、硅、硫、钙和铁在多个电离态下的观测吸收线相对于氧的丰度进行拟合，获得丰度比。
• 应用吸收量分布（AMD）模型验证丰度结果，尤其针对硅和钙等约束较弱的元素。
• 将结果与Mrk 279的紫外光谱中绝对丰度测量结果进行交叉验证，并与本地椭圆星系、星系团核心以及类星体宽发射线中的丰度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mrk 509的暖吸收体中，碳、氮、氖、镁、硅、钙和铁相对于氧的相对丰度是多少？
• RQ2 所获得的丰度是否与原太阳系丰度比一致？若不一致，偏差对核合成过程意味着什么？
• RQ3 Mrk 509中的丰度比与其他活动星系核、本地星系及星系团内介质中的丰度比有何异同？
• RQ4 高红移类星体中基于宽发射线的丰度测定在多大程度上受到共振散射效应的影响而产生偏差？
• RQ5 丰度模式揭示了吸收气体的起源与演化特征——特别是其是否源自吸积盘或尘埃包层？

主要发现

• Mrk 509暖吸收体中的相对丰度比与原太阳系丰度比一致：C/O = 1.19 ± 0.08，N/O = 0.98 ± 0.08，Ne/O = 1.11 ± 0.10，Mg/O = 0.68 ± 0.16，Si/O = 1.3 ± 0.6，Ca/O = 0.89 ± 0.25，Fe/O = 0.85 ± 0.06。
• 硫元素相对于原太阳系丰度比略为缺损，S/O = 0.57 ± 0.14，表明可能存在S-rich核合成贡献的不足。
• O/Fe、Ne/Fe、Si/Fe、S/Fe和Ca/Fe的丰度比高于星系团核心的值，表明核心坍缩超新星和恒星风在Mrk 509星际介质增丰中起主导作用。
• Mrk 509中Mg/Fe和Si/Fe的丰度比与本地椭圆星系热晕星际介质中的观测值一致，尽管O/Fe高于热星际介质中的值。
• 基于X射线吸收线的丰度比与利用紫外吸收线在Mrk 279中测得的绝对丰度一致，支持了该方法的可靠性。
• 发现高红移类星体中基于宽发射线的丰度测定不可靠，因为Lyα光子的共振散射会扭曲N v线轮廓，从而导致丰度估计产生偏差。