[论文解读] The Hot and Energetic Universe: The close environments of supermassive black holes

Michal Dovčiak, Giorgio Matt+23 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用 13

一句话总结

本文提出，Athena+ X射线天文台将通过实现高灵敏度、高分辨率的X射线谱线分析与测时研究，彻底革新我们对超大质量黑洞环境的理解。其重点是通过主射线与反射X射线之间的时间延迟，绘制吸积盘-冕状体系统的结构，从而精确测量黑洞自旋、冕状体结构以及活动星系核（AGN）内 parsec 级区域的周围物质。

ABSTRACT

Most of the action in Active Galactic Nuclei (AGN) occurs within a few tens of gravitational radii from the supermassive black hole, where matter in the accretion disk may lose up to almost half of its energy with a copious production of X-rays, emitted via Comptonization of the disk photons by hot electrons in a corona and partly reflected by the accretion disk. Thanks to its large effective area and excellent energy resolution, Athena+ contributions in the understanding of the physics of accretion in AGN will be fundamental - and unique - in many respects. It will allow us to map the disk-corona system - which is crucial to understand the mechanism of energy extraction and the relation of the corona with winds and jets - by studying the time lags between reflected and primary photons. These lags have been recently discovered by XMM-Newton, but only Athena+ will have the sensitivity required to fully exploit this technique. Athena+ will also be able e.g. to determine robustly the spin of the black hole in nearby sources (and to extend these measurements beyond the local Universe), to establish the nature of the soft X-ray components, and to map the circumnuclear matter within the AGN inner parsec with unprecedented details.

研究动机与目标

• 推进对活动星系核（AGN）中超大质量黑洞附近物理过程的理解。
• 解决当前X射线天文台在解析吸积盘、冕状体与喷流之间复杂相互作用方面的局限性。
• 在邻近AGN中实现对黑洞自旋及软X射线成分本质的稳健测量。
• 以前所未有的细节，绘制AGN内 parsec 级区域内周围物质的分布与特性。
• 利用主射线与反射X射线光子之间的时滞，作为探测吸积盘-冕状体系统几何与动力学的探针。

提出的方法

• 利用Athena+的大有效面积与优异能量分辨率，对AGN的X射线辐射进行高信噪比的探测与分析。
• 通过高时间采样率的X射线光 light curves，测量主X射线光子与其反射对应物之间的时间延迟。
• 应用X射线谱线分析，分离X射线谱中热辐射、康普顿化与反射成分的贡献。
• 通过建模观测到的X射线变异性与时间延迟，推断冕状体与吸积盘的几何结构与物理条件。
• 利用高分辨率X射线数据，通过拟合相对论性展宽的铁线轮廓，约束邻近AGN中黑洞的自旋参数。
• 利用X射能量 band 中的窄吸收线与发射线，测定周围物质的光学深度与电离状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 活动星系核（AGN）中围绕吸积盘的冕状体的空间与物理结构是怎样的？
• RQ2 主X射线与反射X射线之间的时滞如何约束吸积盘-冕状体系统的几何与动力学？
• RQ3 在许多AGN谱线中观测到的软X射线过量成分的真实本质是什么？
• RQ4 如何利用X射线测时与谱线分析在邻近AGN中稳健测量黑洞自旋？
• RQ5 活动星系核内 parsec 级区域内周围物质的分布与物理状态如何？

主要发现

• Athena+ 将提供足够的灵敏度，以充分发挥主X射线与反射X射线之间时滞探测技术的潜力，该技术虽由XMM-Newton首次探测到，但受限于灵敏度。
• 该天文台将使对邻近AGN中黑洞自旋的稳健测量成为可能，将此类测量扩展至本星系系以外的宇宙范围。
• Athena+ 将以前所未有的空间与光谱分辨率，绘制AGN内 parsec 级区域周围介质的分布图。
• 利用Athena+的高分辨率谱线分析，可可靠表征AGN谱线中的软X射线过量成分。
• 通过相关变异性与时滞分析，Athena+ 将动态绘制吸积盘-冕状体系统，揭示热等离子体的物理条件。
• 高灵敏度与高能量分辨率的结合，将首次实现对AGN最内层区域的逐源详细表征。