Различные паттерны вариаций высокоэнергетического обрезания в сейфертовских галактиках

1. Введение

Активные галактические ядра (АГЯ) представляют одни из самых энергетических явлений во Вселенной, причем их жесткое рентгеновское излучение в основном производится в горячих компактных областях, известных как короны. В стандартной парадигме диск-корона это излучение является результатом обратного комптоновского рассеяния исходных фотонов от аккреционного диска, создавая характерный степенной континуум с высокоэнергетическим обрезанием. Телескоп Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), запущенный в 2012 году, произвел революцию в нашей способности изучать эти высокоэнергетические процессы с беспрецедентной чувствительностью в жестком рентгеновском диапазоне (3-79 кэВ).

Параметр высокоэнергетического обрезания (E_cut) предоставляет важные ограничения на физику короны, поскольку он напрямую связан с температурой короны. Предыдущие исследования обнаружили вариации E_cut в нескольких АГЯ, включая 3C 382, NGC 5548, Mrk 335 и 4C 74.26. Zhang et al. (2018) выявили потенциальное поведение «горячее при ярче» в этих источниках, где корона становится горячее по мере того, как источник становится ярче и мягче. Однако ограниченный размер выборки и потенциальные контрпримеры, такие как Ark 564, подчеркивают необходимость дальнейшего исследования универсальности этой закономерности.

Это исследование представляет новые обнаружения вариаций E_cut в двух сейфертовских галактиках — NGC 3227 и SWIFT J2127.4+5654 — выявляя различные паттерны, которые бросают вызов простым унифицированным моделям поведения короны.

2. Наблюдения и обработка данных

2.1 NGC 3227

NGC 3227 — это радиоспокойная сейфертовская галактика типа 1.5, расположенная на красном смещении z = 0.00391. Источник демонстрирует высоко переменное рентгеновское излучение и сложные особенности поглощения. Были проанализированы семь архивных наблюдений NuSTAR, с особым вниманием к быстрому событию затмения, идентифицированному между наблюдениями 60202002010 и 60202002012 Turner et al. (2018). Это событие выявило несколько зон поглотителя, что делает NGC 3227 идеальной лабораторией для изучения как эффектов поглощения, так и внутренних свойств короны.

2.2 SWIFT J2127.4+5654

SWIFT J2127.4+5654 — еще одна сейфертовская галактика, изученная с помощью множественных экспозиций NuSTAR. Источник показывает значительную спектральную изменчивость между наблюдениями, предоставляя прекрасную возможность изучить взаимосвязь между спектральными параметрами и вариациями потока.

2.3 Обработка данных

Все данные NuSTAR были обработаны с использованием стандартных процедур с программным обеспечением для анализа данных NuSTAR (NuSTARDAS) версии 2.0.0. Очищенные файлы событий были сгенерированы с помощью задачи nupipeline со стандартными критериями фильтрации. Исходные спектры были извлечены из круговых областей, центрированных на источнике, в то время как фоновые спектры были извлечены из свободных от источников областей на том же детекторе. Все спектры были сгруппированы, чтобы обеспечить минимум 20 отсчетов на бины для облегчения статистики χ².

3. Методология спектрального анализа

Спектральный анализ использовал физически мотивированные модели для характеристики жесткого рентгеновского излучения. Основные компоненты модели включали:

• Моделирование континуума: Модель степенного закона с обрезанием использовалась для представления первичного излучения короны с параметрами для индекса фотонов (Γ) и высокоэнергетического обрезания (E_cut).
• Компоненты отражения: Релятивистский компонент отражения был включен с использованием модели relxill для учета переработанного излучения от аккреционного диска.
• Моделирование поглощения: Сложное поглощение моделировалось с помощью соответствующих компонентов поглощения, что особенно важно для NGC 3227, учитывая ее известное переменное поглощение.
• Кросс-калибровка: Постоянные множители были включены для учета незначительных неопределенностей кросс-калибровки между детекторами FPMA и FPMB NuSTAR.

Параметры модели ограничивались посредством одновременной подгонки всех наблюдений для каждого источника, при этом ключевые параметры (Γ и E_cut) могли варьироваться между эпохами, сохраняя согласованность в компонентах отражения и поглощения, где это физически оправдано.

4. Результаты и выводы

4.1 NGC 3227: Монотонная зависимость

В NGC 3227 мы обнаружили четкую монотонную зависимость между E_cut и Γ, где E_cut систематически увеличивается по мере смягчения спектра (увеличение Γ). Эта закономерность согласуется с поведением «горячее при мягче», о котором ранее сообщалось в других АГЯ. Корреляция остается значимой в различных состояниях потока, что предполагает фундаментальную связь между нагревом короны и спектральным смягчением.

4.2 SWIFT J2127.4+5654: Λ-образный паттерн

SWIFT J2127.4+5654 демонстрирует более сложное поведение, при этом зависимость E_cut–Γ следует отчетливому Λ-образному паттерну. Ниже Γ ≈ 2.05, E_cut увеличивается с увеличением Γ, аналогично паттерну, наблюдаемому в NGC 3227. Однако выше этой точки излома зависимость меняется на обратную: E_cut уменьшается по мере того, как Γ продолжает увеличиваться. Это представляет собой первое обнаружение такого полного Λ-паттерна в одном АГЯ, причем вариации Γ источника пересекают критическую точку излома.

4.3 Поведение «мягче при ярче»

Оба источника демонстрируют обычное поведение «мягче при ярче», распространенное в сейфертовских галактиках, когда спектр смягчается (увеличение Γ) по мере увеличения рентгеновского потока. Этот паттерн хорошо установлен в исследованиях АГЯ и, как считается, связан с изменениями оптической глубины или геометрии комптонизирующей короны.

4.4 Унифицированный вид выборки АГЯ

При построении графика всех семи АГЯ с подтвержденными вариациями E_cut на диаграмме E_cut–Γ мы обнаруживаем, что они могут быть унифицированы в рамках концепции Λ-паттерна. В то время как большинство источников показывают только частичные сегменты этого паттерна из-за ограниченных диапазонов Γ в отдельных объектах, SWIFT J2127.4+5654 предоставляет полную картину, охватывая обе стороны точки излома.

5. Обсуждение и последствия

5.1 Физические механизмы вариаций E_cut

Обнаруженные паттерны предполагают наличие нескольких основных физических механизмов, действующих в коронах АГЯ:

• Геометрические изменения: Изменения размера или геометрии короны могут одновременно влиять как на Γ, так и на E_cut. Более компактная корона может производить как более жесткие спектры, так и более высокие энергии обрезания.
• Рождение пар: Рождение электрон-позитронных пар может регулировать температуру короны, создавая естественную максимальную температуру, которая проявляется как точка поворота в Λ-паттерне.
• Баланс нагрева-охлаждения: Изменения скорости нагрева или эффективности охлаждения могут вызывать коррелированные вариации спектральных параметров.

5.2 Точка излома Λ-паттерна

Точка излома при Γ ≈ 2.05 в SWIFT J2127.4+5654 может представлять критический переход в свойствах короны. Ниже этой точки доминирует увеличенный нагрев, производящий как более мягкие спектры, так и более высокие энергии обрезания. Выше этой точки дополнительные механизмы охлаждения или рождение пар могут ограничивать дальнейшее повышение температуры, несмотря на продолжающееся спектральное смягчение.

5.3 Сравнение с предыдущими исследованиями

Наши результаты как подтверждают, так и расширяют предыдущие выводы. Исходный паттерн «горячее при мягче», о котором сообщали Zhang et al. (2018), кажется верным для восходящей части Λ-паттерна. Однако открытие нисходящей ветви раскрывает более сложную взаимосвязь, требующую модификации простых унифицированных моделей.

5.4 Последствия для физики короны

Λ-паттерн предполагает, что короны АГЯ могут работать в разных режимах в зависимости от их фундаментальных параметров. Точка излома может соответствовать определенным физическим условиям, таким как оптическая глубина, где изменяется эффективность комптонизации, или где рождение пар становится значительным.

6. Заключение

Это исследование представляет значительные успехи в понимании вариаций E_cut в АГЯ посредством детального анализа NGC 3227 и SWIFT J2127.4+5654. Обнаружение различных паттернов — монотонного в NGC 3227 и Λ-образного в SWIFT J2127.4+5654 — раскрывает, что, вероятно, в коронах АГЯ действуют несколько физических механизмов. Предложенная унифицированная концепция Λ-паттерна охватывает все известные в настоящее время АГЯ с вариациями E_cut, хотя небольшой размер выборки требует осторожности.

Ключевые выводы из этого исследования включают:

• Вариации E_cut сложнее, чем признавалось ранее, возможны как возрастающие, так и убывающие ветви
• Λ-паттерн предоставляет потенциальную унифицирующую основу для разнообразного поведения АГЯ
• Несколько физических механизмов, включая геометрические изменения и рождение пар, вероятно, вносят вклад в наблюдаемые паттерны
• SWIFT J2127.4+5654 представляет собой ключевой источник как единственный АГЯ, показывающий полный Λ-паттерн в пределах одного объекта

Будущие исследования с большими выборками и более длительными кампаниями мониторинга будут необходимы для проверки универсальности Λ-паттерна и уточнения нашего понимания лежащей в основе физики короны. Продолжающаяся работа NuSTAR и предстоящие рентгеновские миссии предоставят захватывающие возможности для дальнейшего изучения этих явлений.