[论文解读] Multiwavelength campaign on Mrk 509 XV. A global modeling of the broad emission lines in the Optical, UV and X-ray bands

E. Costantini, G. A. Kriss+12 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Jun 21, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 67被引用 12

一句话总结

本研究利用同步的XMM-Newton与HST-COS观测，通过局部最优发射（LOC）模型对Mrk 509在光学、紫外和X射线波段的宽发射线进行建模。结果发现存在两个不同的气体组分：一个位于5×10¹⁴–3×10¹⁷ cm的内层、高电离区域，发射X射线和紫外线发射线；一个更广延、低电离的区域位于3×10¹⁷–3×10¹⁸ cm，产生光学线和较软的紫外线发射线，两者的径向发射率斜率约为1.10–1.15。

ABSTRACT

We model the broad emission lines present in the optical, UV and X-ray spectra of Mrk 509, a bright type 1 Seyfert galaxy. The broad lines were simultaneously observed during a large multiwavelength campaign, using the XMM-Newton-OM for the optical lines, HST-COS for the UV lines and XMM-Newton-RGS and Epic for the X-ray lines respectively. We also used FUSE archival data for the broad lines observed in the far-ultra-violet. The goal is to find a physical connection among the lines measured at different wavelengths and determine the size and the distance from the central source of the emitting gas components. We used the "Locally optimally emission Cloud" (LOC) model which interprets the emissivity of the broad line region (BLR) as regulated by powerlaw distributions of both gas density and distances from the central source. We find that one LOC component cannot model all the lines simultaneously. In particular, we find that the X-ray and UV lines likely may originate in the more internal part of the AGN, at radii in the range ~5x10^{14}-3x10^{17} cm, while the optical lines and part of the UV lines may likely be originating further out, at radii ~3x10^{17}-3x^{18} cm. These two gas components are parametrized by a radial distribution of the luminosities with a slope gamma of ~1.15 and ~1.10, respectively, both of them covering at least 60% of the source. This simple parameterization points to a structured broad line region, with the higher ionized emission coming from closer in, while the emission of the low-ionization lines is more concentrated in the outskirts of the broad line region.

研究动机与目标

• 建立Mrk 509在光学、紫外和X射线波段同时观测到的宽发射线之间的物理解释联系。
• 确定发射气体组分相对于中心AGN源的空间分布和距离。
• 检验单组分LOC模型是否能够重现宽线的完整谱能量分布。
• 评估宽线区（BLR）对6.4 keV处Fe Kα线的贡献。
• 通过多波段线轮廓拟合，研究BLR的几何结构和覆盖因子。

提出的方法

• 将局部最优发射（LOC）模型应用于解释宽线区（BLR）的发射率，作为气体密度和距中心源距离的函数。
• 使用气体密度和径向距离的幂律分布来参数化多波段BLR发射。
• 拟合来自XMM-Newton-OM（光学）、HST-COS（紫外）、XMM-Newton-RGS/Epic（X射线）以及档案FUSE（远紫外）数据的观测线轮廓。
• 允许两个独立气体组分具有不同的径向分布和覆盖因子，以提高拟合质量。
• 将6.4 keV处的Fe Kα线作为BLR贡献的诊断工具，假设来自远处冷物质的窄线成分不变。
• 探索径向发射率斜率（γ）、覆盖因子（C_V）和径向范围的参数空间，以评估模型的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单组分LOC模型能否同时重现Mrk 509在光学、紫外和X射线波段的宽发射线？
• RQ2 产生不同电离态宽线的发射气体组分的径向距离和物理尺寸是什么？
• RQ3 BLR气体的径向发射率分布（γ）在高电离与低电离线发射区之间如何变化？
• RQ4 观测到的6.4 keV处Fe Kα线中，有多少比例来自BLR而非远处的冷物质？
• RQ5 BLR的覆盖因子和几何结构暗示其结构与动力学特征为何？

主要发现

• 单组分LOC模型无法同时拟合所有宽发射线，因此必须采用双组分方法。
• X射线和高电离紫外线发射线（如C iv）源自位于~5×10¹⁴–3×10¹⁷ cm半径范围的内层BLR组分，其径向发射率斜率γ ≈ 1.15。
• 光学线和低电离紫外线发射线源自位于~3×10¹⁷–3×10¹⁸ cm半径范围的更广延BLR组分，其γ ≈ 1.10。
• 两个组分的覆盖因子均超过60%，表明BLR具有结构化、非球对称的几何形态，且具有显著的径向范围。
• BLR对观测到的6.4 keV宽Fe Kα线的贡献约为30%，其发射在小半径处达到峰值（log r ≈ 14.75 cm）。
• 双组分模型相比单组分模型具有更优的统计拟合效果，但残差仍存在，表明简单LOC参数化存在局限，可能源于复杂动力学或非均匀覆盖因子。