[论文解读] The XMM deep survey in the CDF-S VIII. X-ray properties of the two brightest sources

K. Iwasawa, C. Vignali+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 41被引用 8

一句话总结

本研究基于十年间250万秒的XMM-Newton观测（2001–2010年），对猎户座南天深空场（CDFS）中两颗最明亮的活动星系核（AGN）——PID 203（z=0.544）和PID 319（z=0.742）——进行了高质量X射线谱分析。研究揭示了中等程度的X射线通量变化（~10–20%均方根），以及强而中等展宽的铁K发射线（等效宽度~0.2 keV），其轮廓与通量随时间变化，表明其起源于吸积盘而非遥远的尘埃包层；此外，PID 319中存在与爱丁顿比变化相关的可变电离态的迹象。

ABSTRACT

We present results from the deep XMM-Newton observations of the two brightest X-ray sources in the Chandra Deep Field South (CDFS), PID 203 (z=0.544) and PID 319 (z=0.742). The long exposure of 2.5 Ms over a 10 year period (net 4 yr with a 6 yr gap) makes it possible to obtain high quality X-ray spectra of these two Type I AGN with X-ray luminosity of 10^44 erg/s, typical luminosity for low-redshift PG quasars, track their X-ray variability both in flux and spectral shape. Both sources showed X-ray flux variability of ~10-20 per cent in rms which is similar in the soft (0.5-2 keV) and hard (2-7 keV) bands. PID 203, which has evidence for optical extinction, shows modest amount of absorption (nH~1e21cm^-2) in the X-ray spectrum. Fe K emission is strongly detected in both objects with EW~0.2 keV. The lines in both objects are moderately broad and exhibit marginal evidence for variability in shape and flux, indicating that the bulk of the line emission come from their accretion disks rather than distant tori.

研究动机与目标

• 研究CDFS中两颗最亮X射线源的X射线谱及变异性特征，这两者是红移z>0.5范围内最明亮的AGN之一。
• 探究这些高红移AGN中强铁K发射线的起源，区分其来自吸积盘还是遥远尘埃包层的贡献。
• 探测中等光度I型AGN在本地宇宙之外的长期X射线变异性。
• 评估吸收与光学消光对这些高红移AGN X射线谱的影响。

提出的方法

• 利用2001–2010年期间250万秒的深度XMM-Newton观测数据，对两个明亮CDFS源进行分析，将其划分为六个时间区间（X1–X6）以开展变异性研究。
• 结合XMM-Newton的pn、MOS1和MOS2相机数据与400万秒的Chandra数据，以提升信噪比和时间分辨率。
• 使用XSPEC进行谱拟合，建模连续谱、吸收及铁K线成分，包括高斯线与相对论性盘线模型。
• 追踪多个观测历元中通量与线型变异性，尽管存在仪器间定标差异的挑战。
• 利用αOX与爱丁顿比评估电离态变化，尤其关注PID 319。
• 应用静止系2–10 keV光度校正及宇宙学参数（H₀=70 km s⁻¹ Mpc⁻¹，ΩΛ=0.72，ΩM=0.28）。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移I型AGN中强铁K发射线的起源是什么？其是否主要来自吸积盘而非遥远尘埃包层？
• RQ2 这些AGN的X射线通量与谱型在十年间如何变化？这对中心引擎有何启示？
• RQ3 观测到的铁K线变异性是否与吸积盘起源一致？其揭示了内吸积环境的何种信息？
• RQ4 这些红移z=0.5–0.7的AGN的X射线特性与本地PG类星体及其他高红移样本相比如何？
• RQ5 铁K线能量与线宽的变化是否可与爱丁顿比或电离态变化相关联？

主要发现

• 两个源PID 203（z=0.544）和PID 319（z=0.742）在软（0.5–2 keV）与硬（2–7 keV）能段均表现出约10–20%均方根的X射线通量变异性。
• 两源均显示强铁K发射线，等效宽度约0.2 keV，显著高于冷远距离物质的预期值（EW ~0.04 keV），表明主导来自吸积盘。
• 铁K线中等展宽（σ ≈ 0.2–0.3 keV），其轮廓与通量随时间变化，尤其在PID 203中，线宽在六年间变宽，支持其来自吸积盘。
• 在PID 319中，铁K线能量从2001–2002年的6.5–6.9 keV（未分辨）变为2008–2010年的6.21 keV（展宽），表明电离态可变，可能与早期周期中更高的爱丁顿比有关。
• αOX值更高的源（PID 319，αOX ≈ −1.4）在2001–2002年显示出高度电离铁K发射（Fe xxv/xxvi），暗示其与紫外光度相关的瞬态高电离态。
• 尽管展宽程度适中，10⁹ M⊙黑洞在~40 rg处的动力学时标约为3个月，与观测到的短时标铁K线变异性一致，支持其为相对论性吸积盘起源。