[论文解读] Multiwavelength campaign on Mrk 509 XII. Broad band spectral analysis

Pierre-Olivier Petrucci, S. Paltani+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 70被引用 72

一句话总结

本研究利用2009年10月至11月为期十次观测的XMM-Newton与INTEGRAL数据，对赛弗特1型星系Mrk 509进行了同时性的全波段光谱分析。研究识别出双星冕模型：一个高温、光学薄的星冕（kT ~ 100 keV，τ ~ 0.5）产生主要X射线连续谱，另一个温、光学厚的等离子体（kT ~ 1 keV，τ ~ 10–20）则负责软X射线超量，后者可能在R_tr ~ 10–20 R_g附近形成类似板状的层，位于吸积盘上方，解释了软超量的弱光度依赖性。

ABSTRACT

(Abridged) The simultaneous UV to X-rays/gamma rays data obtained during the multi-wavelength XMM/INTEGRAL campaign on the Seyfert 1 Mrk 509 are used in this paper and tested against physically motivated broad band models. Each observation has been fitted with a realistic thermal comptonisation model for the continuum emission. Prompted by the correlation between the UV and soft X-ray flux, we use a thermal comptonisation component for the soft X-ray excess. The UV to X-rays/gamma-rays emission of Mrk 509 can be well fitted by these components. The presence of a relatively hard high-energy spectrum points to the existence of a hot (kT~100 keV), optically-thin (tau~0.5) corona producing the primary continuum. On the contrary, the soft X-ray component requires a warm (kT~1 keV), optically-thick (tau~15) plasma. Estimates of the amplification ratio for this warm plasma support a configuration close to the "theoretical" configuration of a slab corona above a passive disk. An interesting consequence is the weak luminosity-dependence of its emission, a possible explanation of the roughly constant spectral shape of the soft X-ray excess seen in AGNs. The temperature (~ 3 eV) and flux of the soft-photon field entering and cooling the warm plasma suggests that it covers the accretion disk down to a transition radius $R_{tr}$ of 10-20 $R_g$. This plasma could be the warm upper layer of the accretion disk. On the contrary the hot corona has a more photon-starved geometry. The high temperature ($\sim$ 100 eV) of the soft-photon field entering and cooling it favors a localization of the hot corona in the inner flow. This soft-photon field could be part of the comptonised emission produced by the warm plasma. In this framework, the change in the geometry (i.e. $R_{tr}$) could explain most of the observed flux and spectral variability.

研究动机与目标

• 利用同时性的多波段观测，解析Mrk 509在全波段X射线至紫外波段的物理组分。
• 解决赛弗特星系中软X射线超量与高能截止长期存在的起源模糊性问题。
• 通过高质量、同时性的数据，检验物理上合理的光谱模型——特别是热康普顿化、温吸收体与反射组分。
• 通过光谱拟合与光度平衡分析，约束热星冕与温星冕等离子体的几何结构与物理条件。
• 研究热星冕与温等离子体之间的相互作用，特别是其相对几何结构如何解释光谱变异性及软超量光谱形状的恒定性。

提出的方法

• 在2009年10月至11月的十个观测周期内，对XMM-Newton与INTEGRAL的观测数据进行同时性的全波段光谱拟合。
• 采用nthcomp模型描述热电子对软种子光子的热康普顿化，参数包括kT与光学深度τ。
• 基于先前对Mrk 509的高精度研究，引入温吸收体与反射组分。
• 利用康普顿过程中光子守恒关系，估算星冕的种子光子光度（L_s）与总光度（L_tot），应用式(4)至(14)从观测通量推导L_s与L_h。
• 应用辐射平衡方程（式15–17）计算加热/冷却比率（L_h / L_s），推断软等离子体中的能量平衡。
• 通过比较不同康普顿化模型（compst、comptt、eqpair）的结果，评估模型的稳健性，检验其对模型假设的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mrk 509中软X射线超量的物理起源是什么？它与主要硬X射线连续谱有何关联？
• RQ2 产生软超量的温等离子体的温度、光学深度与几何结构如何？其与理论预期相比有何异同？
• RQ3 热星冕与温等离子体的几何结构有何不同？这对光谱变异性有何启示？
• RQ4 为何软X射线超量的光谱形状在不同光度下几乎保持恒定？其几何结构能否解释这一现象？
• RQ5 温等离子体中加热与冷却的能量平衡如何？其如何约束星冕相对于吸积盘的位置？

主要发现

• Mrk 509中的软X射线超量最合理的解释是位于吸积盘上方的温、光学厚等离子体（kT ~ 1 keV，τ ~ 10–20）。
• 该温等离子体与理论模型一致，呈板状结构，过渡半径R_tr ~ 10–20 R_g，解释了软超量的弱光度依赖性。
• 热星冕高度紧凑且光子匮乏，具有kT ~ 100 keV与光学深度τ ~ 0.5，支持其位于内流区域。
• 冷却热星冕的软光子场温度约为3 eV，表明其源于温等离子体对辐射的再处理。
• 温星冕的光度比L_h / L_s ~ 1，表明加热与冷却过程相当，与厚、自照射等离子体一致。
• 温星冕的总光度为L_tot ~ 2L_obs，证实其光学厚特性；而热星冕的L_tot ~ 2L_obs - L_s，与光学薄条件一致。