[论文解读] The X-ray evolving universe: (ionized) absorption and dust, from nearby Seyfert galaxies to high-redshift quasars

S. Komossa, G. Hasinger|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 6

一句话总结

本文提出，未来的X射线天文台XEUS将实现对活动星系核（AGN）中X射线吸收体前所未有的高分辨率光谱观测，涵盖从邻近的赛弗特星系到高红移类星体的广泛范围，从而精确测量金属丰度、尘埃成分、气体速度场及电离状态。主要贡献包括首次分别解析冷尘埃与冷气体中金属的K边，以及利用铁吸收特征探测高红移早期恒星形成与宇宙学参数。

ABSTRACT

(Abridged) Cold and warm absorbers have beeen detected in all types of active galaxies (AGN) from low to high redshift. This gas, located in the black hole region of AGN, is thought to play an important role in AGN unification scenarios, in explaining the X-ray background, in black hole growth and AGN evolution. We provide a review of the observations of dusty and dust-free warm and cold absorbers at low and high redshift, including most recent results and exciting questions still open. Emphasis is on the science issues that we will be able to address with XEUS for the first time, particularly at high redshift, including: (i) determination of metal abundances of X-ray (cold) absorbers by detection of metal absorption edges, (ii) analysis of the composition of dust mixed with cold and ionized gas (K-edges of metals in cold dust and cold gas will be resolvable from each other for the first time), (iii) measurement of the velocity field of the gas, (iv) utilization of these results to investigate the evolution of gas and dust in AGN from high to low redshift: the evolution of abundances, dust content, ionization state, amount and velocity of gas, and its role in feeding the black hole. We emphasize the importance of iron absorption measurements with XEUS at high redshift for two key issues of cosmology: the early star formation history of the universe, and the measurement of cosmological parameters. As an example, we discuss recent XMM-Newton observations of the high-redshift BAL quasar APM 08279+5255.

研究动机与目标

• 通过研究宇宙时空中X射线吸收现象，解决AGN统一模型与演化中的开放问题。
• 克服当前X射线任务在解析AGN中复杂多组分吸收体方面的局限性。
• 利用未来X射线灵敏度，实现对高红移金属丰度与尘埃成分的研究。
• 探究气体与尘埃在宇宙历史中为超大质量黑洞供料的作用。
• 利用铁吸收特征约束高红移早期恒星形成历史与宇宙学参数。

提出的方法

• 以钱德拉和XMM-Newton的高分辨率X射线光谱为基础，为未来的XEUS观测提供支持。
• 在X射线光谱中探测并分离金属吸收边（如Fe、O、Ne），以测量元素丰度。
• 首次利用XEUS的能量分辨率，将冷尘埃中金属的K边与冷气体中金属的K边区分开来。
• 利用窄吸收线及其轮廓，对电离气体的速度场进行建模。
• 应用光谱拟合技术，将吸收特征与相对论性喷流线及散射效应分离。
• 利用高红移类星体中观测到的Fe/O与Fe/Ne比值，约束核合成 timescales 与宇宙学模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移AGN中冷吸收体与电离吸收体的金属丰度是多少？它们如何演化？
• RQ2 如何通过X射线吸收边独立测量与冷气体及电离气体混合的尘埃成分？
• RQ3 AGN中X射线吸收体的速度结构与电离状态是什么？其与黑洞供料的关系如何？
• RQ4 高红移类星体中铁吸收特征如何约束宇宙早期恒星形成历史？
• RQ5 铁吸收特征能否用作宇宙学距离指示器以测量宇宙学参数？

主要发现

• XMM-Newton对高红移BAL类星体APM 08279+5255的观测揭示了Fe/O比值约为3，表明Ia型超新星有显著贡献。
• 在z = 3.91处观测到的Fe/O比值为3，意味着该红移处宇宙年龄超过约0.9 Gyr，支持Ω_m ≈ 0.3与Ω_Λ ≈ 0.7的宇宙学模型。
• 在Hamann & Ferland（1993）的模型中，达到Fe/O = 3倍太阳丰度的timescale估计为约3 Gyr，要求高红移处宇宙足够古老。
• XEUS将首次分别解析冷尘埃与冷气体中金属的K边，实现精确的成分分析。
• XEUS对软X射线的高灵敏度对于在高红移探测氧与氖边至关重要，因为在高红移处铁丰度会下降。
• 高红移AGN中的铁吸收特征为测量宇宙学参数与约束早期恒星形成提供了新途径。