[论文解读] The XMM deep survey in the CDF-S II. a 9-20 keV selection of heavily obscured active galaxies at z>1.7

K. Iwasawa, R. Gilli+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 74被引用 30

一句话总结

本研究利用XMM-CDFS深度巡天中9–20 keV X射线超额选源法，在红移z > 1.7的区域识别出大量被遮蔽的活动星系核（AGN）。通过利用本征参考系硬X射线发射及X射线谱诊断，发现约75%的样本呈现高度吸收（NH > 10²² cm⁻²），其中显著比例显示康普顿厚吸收，表明与本地宇宙相比，高红移及高光度下的遮蔽AGN比例随红移和光度增加而上升。

ABSTRACT

We present results on a search of heavily obscured active galaxies z>1.7 using the rest-frame 9-20 keV excess for X-ray sources detected in the deep XMM-CDFS survey. Out of 176 sources selected with the conservative detection criteria (>8 sigma) in the first source catalogue of Ranalli et al., 46 objects lie in the redshift range of interest with the median redshift z~2.5. Their typical rest-frame 10-20 keV luminosity is 1e+44 erg/s, as observed. Among optically faint objects that lack spectroscopic redshift, four were found to be strongly absorbed X-ray sources, and the enhanced Fe K emission or absorption features in their X-ray spectra were used to obtain X-ray spectroscopic redshifts. Using the X-ray colour-colour diagram based on the rest-frame 3-5 keV, 5-9 keV, and 9-20 keV bands, seven objects were selected for their 9-20 keV excess and were found to be strongly absorbed X-ray sources with column density of nH > 0.6e+24 cm-2, including two possible Compton thick sources. While they are emitting at quasar luminosity, ~3/4 of the sample objects are found to be absorbed by nH > 1e+22 cm-2. A comparison with local AGN at the matched luminosity suggests an increasing trend of the absorbed source fraction for high-luminosity AGN towards high redshifts.

研究动机与目标

• 利用硬X射线选源法探测并表征高红移（z > 1.7）的严重遮蔽AGN。
• 通过本征参考系9–20 keV发射，针对光学巡天受限的X射线遮蔽AGN进行研究。
• 测量遮蔽AGN比例随红移和光度的演化，尤其针对高光度类星体。
• 利用X射线谱诊断（包括Fe K特征和颜色-颜色图）为光学未检测到的暗弱源推导红移和吸收特性。
• 检验遮蔽AGN比例是否在高红移时增加，特别是对明亮QSOs，以验证并合驱动AGN演化模型的预测。

提出的方法

• 从XMM-CDFS第一版星表中选取176个在2–10 keV波段显著性超过8σ的X射线源。
• 聚焦于z > 1.7的源，此时本征参考系20 keV对应观测7.4 keV，可有效探测硬X射线超额。
• 利用本征参考系3–5 keV、5–9 keV和9–20 keV波段构建颜色-颜色图，识别9–20 keV超额源。
• 应用X射线谱拟合以检测Fe Kα发射线和吸收特征，为光学暗弱源推导光谱红移。
• 通过谱模型计算本征参考系10–20 keV光度和吸收柱密度（NH），包括康普顿厚候选源（NH ≥ 0.6 × 10²⁴ cm⁻²）。
• 将观测到的遮蔽AGN比例与本地AGN模型对比，评估红移演化效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在深度X射线巡天中，z > 1.7的严重遮蔽AGN比例是多少？与本地估计相比如何？
• RQ2 能否利用本征参考系9–20 keV超额和Fe K特征识别出光学巡天中未检测到的高遮蔽AGN，并推导其红移？
• RQ3 对于高光度QSOs，遮蔽AGN比例是否随红移增加？如果是，其物理机制是什么？
• RQ4 高红移AGN的吸收特性（NH、康普顿厚候选源）与本地宇宙中同光度源相比如何？
• RQ5 K校正和谱形在多大程度上能保持高红移下吸收AGN的可探测性？

主要发现

• 在z > 1.7的46个源中，35个（76%）呈现高度吸收（NH > 10²² cm⁻²），表明高红移AGN中遮蔽现象极为普遍。
• 7个源通过颜色-颜色图中9–20 keV超额选出，全部显示NH ≥ 0.6 × 10²⁴ cm⁻²，其中2个极可能为康普顿厚（NH ≥ 10²⁴ cm⁻²）。
• 样本的中值本征参考系10–20 keV光度为0.9 × 10⁴⁴ erg s⁻¹，与类星体级活动一致。
• 通过Fe Kα发射线和吸收特征，成功为4个光学暗弱且未识别的源推导出X射线光谱红移。
• 在高光度（L10–20 > 10⁴⁴ erg s⁻¹）下，观测到的遮蔽AGN比例随红移增加，与非演化模型矛盾，支持并合驱动演化模型。
• 本地AGN模型中遮蔽比例的光度依赖性（如Gilli et al. 2007）比观测结果更平缓，导致本地宇宙中对遮蔽QSOs的估计高估约2.5倍，这可能部分补偿了模型中缺失的演化效应。