[论文解读] Two Compton-Thick Active Nuclei in Arp 220?

A. Paggi, G. Fabbiano+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

本研究利用钱德拉望远镜ACIS数据的亚像素光谱成像技术，在超亮红外星系Arp 220中识别出两个相距约365 pc的康普顿厚活动星系核（AGNs）。在6–7 keV能量范围内检测到等效宽度超过1 keV的强Fe-K发射线，且其固有X射线光度高达~10⁴² erg s⁻¹，为两个深度遮蔽的AGNs提供了有力证据，使Arp 220成为继NGC 6240和NGC 3393之后第三个已知拥有近距离康普顿厚核对的系统。

ABSTRACT

Narrow-band spectral imaging with sub-pixel resolution of the Chandra-ACIS archival observation of the ULIRG merger Arp 220 strongly suggests two Compton thick nuclei, spatially coincident with the infrared and radio emitting nuclear clusters, and separated by 1" (~ 365 pc at a distance of 76 Mpc). These previously undetected highly obscured AGNs - West (W) and East (E) - are imaged, and separated from neighboring sources, in the 6-7 keV band, where the Fe-K lines dominate the emission. The western nucleus is also detected at energies above 7 keV. We estimate Fe-K equivalent width ~ 1 keV or possibly greater for both sources, and observed 2-10 keV luminosities L_X < 3.2 x 10^40 erg/s (W) and <1.3 x 10^40 erg/s (E). From the observed Fe-K lines luminosities{, and assuming on the basis of the XMM-Newton spectrum that 40% of this may be from the 6.4 keV component, we evaluate 2-10 keV intrinsic luminosities L_X ~ 1 x 10^42 erg/s (W) and L_X ~ 0.4 x 10^42 erg/s (E). The inferred X-ray luminosity is at least a factor of 3 higher than that expected from a pure starburst with the bolometric luminosity of Arp 220. For a typical AGN SED the bolometric luminosities are 5.2 x 10^43 erg/s (W) and 2 x 10^42 erg/s (E).

研究动机与目标

• 为解决长期以来关于邻近超亮红外星系（ULIRG）Arp 220中是否存在遮蔽AGNs的争议，该星系表现出强烈的星暴与核活动特征。
• 检验Arp 220核区复杂X射线发射是否可由两个康普顿厚AGNs解释，而非单一遮蔽源或以星暴为主导的发射。
• 利用钱德拉望远镜的亚像素空间分辨率与窄带光谱成像技术，分离并表征微弱但高度吸收的核X射线源。
• 基于Fe-K线诊断与光谱建模，估算两个核的固有X射线光度与黑洞质量。
• 加强星系并合、康普顿厚AGN形成与ULIRG活动之间演化联系的证据。

提出的方法

• 对钱德拉ACIS数据应用亚像素事件重定位（SER）技术，以超越0.492''像素尺度的极限提升空间分辨率。
• 在6–7 keV能量范围内使用窄带成像以分离Fe-Kα发射线，该线是康普顿厚AGNs的诊断性特征。
• 初始光度估算假设线能量为6.4 keV，但光谱建模允许6.7 keV Fe XXV线贡献高达40%。
• 通过西部核区在>7 keV波段的硬X射线检测，推断其吸收光学深度N_H ~ 10²⁴.⁵ cm⁻²，从而校正观测到的2–10 keV光度。
• 基于Fe-K线光度，假设典型AGN谱能分布（SED）与总辐射修正，推导出固有2–10 keV光度。
• 在假设Eddington极限吸积与10%辐射效率的前提下，估算黑洞质量下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 Arp 220中两个空间分离的核区是否为Fe-K线发射所指示的两个康普顿厚AGNs？
• RQ2 亚像素光谱成像能否在Arp 220致密中心区域分辨出两个独立且高度遮蔽的核X射线源？
• RQ3 在观测到的Fe-K线等效宽度与吸收条件下，两个核的固有X射线光度与黑洞质量分别为多少？
• RQ4 所推导的AGN光度与Arp 220总全波段光度相比如何？其中由AGN活动贡献的比例是多少？
• RQ5 两个CT AGNs的存在是否支持ULIRGs中AGN形成由并合驱动的演化模型？

主要发现

• 在Arp 220中识别出两个康普顿厚AGNs，其位置与近红外与射电核重合，相距1”（约365 pc）。
• 西部核区在7 keV以上表现出显著发射，表明其具有高柱密度N_H ~ 10²⁴.⁵ cm⁻²，与康普顿厚吸收一致。
• 两个核的Fe-K线等效宽度均估计在~1 keV或以上，这是康普顿厚AGNs的典型特征。
• 两个核的固有2–10 keV光度分别估计为~1 × 10⁴² erg s⁻¹（W）与~0.4 × 10⁴² erg s⁻¹（E），远高于观测值，因吸收所致。
• AGNs的全波段光度分别为~5.2 × 10⁴³ erg s⁻¹（W）与~2 × 10⁴² erg s⁻¹（E），仅占Arp 220总光度的少数百分比，证实星暴主导。
• 在假设Eddington极限吸积与10%辐射效率的前提下，黑洞质量下限分别为~3 × 10⁵ M☉（W）与~1 × 10⁵ M☉（E）。