Variability studies of the iron line emission in AGN

Abstract

To this day, the physics and geometry of the inner-most region in active galactic nuclei (AGN) are largely unknown. According to the currently-accepted paradigm, the inner-most region consists of a super-massive black hole (BH) surrounded by an accretion disc. Perhaps the only way of indirectly probing this region is to study the highly variable X-ray emission of AGN. This X-ray emission is thought to consist of a power-law continuum component from a primary X-ray source, plus “reprocessed” continuum emission by the accretion disc.This scenario predicts that reprocessed disc emission should also vary in response to the intrinsically variable continuum emission, but with a delay (this is known as “X-ray reverberation”). The search for correlations, including delays, between light curves in different energy bands has revealed evidence in support of the X-ray reverberation picture, although the results are mostly “hand-waving.” This is mainly because the statistical properties of the available tools, i.e. the “time-lag spectrum” and “intrinsic coherence function,” are unknown.In my work I developed, for the first time, prescriptions for reliably and accurately calculating time-lag and intrinsic coherence estimates. I then applied these prescriptions to estimate the time-lags and intrinsic coherence between X-ray light curves in different energy bands, for a sample of ten X-ray bright and highly variable AGN. To this end, I downloaded and reduced all available XMM-Newton archival data for these sources. The results of my study regarding the time-lags and intrinsic coherence of my sample are summarised as follows: (a) The “iron line vs. continuum” (i.e. 5-7 vs. 2-4 keV) time-lags, which have the most widely-accepted reverberation origin, are consistent with a “point-like” X-ray source located a few gravitational radii above the BH. However, it is not possible to constrain other important parameters such as the BH mass and spin, or the inclination angle of the system. (b) The low-frequency “continuum” time-lags have a universal energy- and frequency-dependence, and scale approximately with the square root of the Eddington accretion rate. (c) The intrinsic coherence has a universal energy- and frequency-dependence, although it scales neither with the BH mass, nor with the Eddington accretion rate.Result (a) is the best that can be done with current data. It is also unlikely to significantly improve in the future, since that would require a substantial improvement in the data quality (e.g. many more XMM-Newton observations). Results (b) and (c) are broadly consistent with popular AGN X-ray variability models, although detailed theoretical predictions need to be compared to my results in order to constrain the models.

Η φυσική και η γεωμετρία της εσωτερικής περιοχής των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων (ΕΓΠ) παραπέμενουν ακόμα εν πολλοίς άγνωστες. Σύμφωνα με τη σημερινά αποδεκτή εικόνα, η εσωτερική περιοχή αποτελείται από μία υπέρμαζη μελανή οπή (ΜΟ) που περιβάλλεται από έναν δίσκο προσαύξησης. Ο μόνος τρόπος να ερευνηθεί έμμεσα η περιοχή αυτή είναι μελετώντας την έντονα μεταβλητή εκπομπή ακτίνων-Χ των ΕΓΠ. Η εκπομπή αυτή πιστεύεται πως αποτελείται από μία συνιστώσα ακινοβολίας “συνεχούς” που ακολουθεί νόμο δύναμης και προέρχεται από μία κύρια πηγή ακτίνων-Χ, συν “μεταποιημένη” ακτινοβολία συνεχούς από το δίσκο προσαύξησης. Το σενάριο αυτό προβλέπει ότι η μεταποιημένη ακτινοβολία του δίσκου πρέπει να αντιδρά στην εγγενώς μεταβλητή ακτινοβολία συνεχούς, αλλά με μία καθυστέρηση (γνωστή ως “αντήχηση ακτίνων-Χ”). Η αναζήτηση συσχετισμών και χρονικών καθυστερήσεων μεταξύ καμπυλών φωτός σε διαφορετικές ενεργειακές ζώνες έχει φανερώσει στοιχεία που υποστηρίζουν την υπόθεση της αντήχησης ακτίνων-Χ, αν και τα αποτελέσματα παραμένουν περισσότερο ποιοτικά. Αυτό οφείλεται στην άγνοιά μας όσον αφορά τις ιδιότητες των διαθέσιμων στατιστικών εργαλείων, δηλαδή του “φάσματος χρονο-καθυστέρησης” και της “συνάρτησης εγγενούς συνοχής”.Στο έργο μου ανέπτυξα, για πρώτη φορά, συνταγές για τον υπολογισμό του φάσματος χρονο-καθυστέρησης και της συνάρτησης εγγενούς συνοχής στην πράξη με αξιοπιστία και ακρίβεια. Στη συνέχεια εφάρμοσα αυτές τις συνταγές για να εκτιμήσω τις χρονο-καθυστερήσεις και την εγγενή συνοχή μεταξύ καμπυλών φωτός ακτίνων-Χ σε διαφορετικές ενεργειακές ζώνες, για ένα δείγμα δέκα ΕΓΠ που είναι λαμπρές και έντονα μεταβητές πηγές ακτίνων-Χ. Για το σκοπό αυτό κατέβασα και ανέλυσα όλα τα διαθέσιμα αρχειοθετημένα δεδομένα του δορυφόρου XMM-Newton για αυτές τις πηγές. Τα αποτελέσματα της μελέτης μου σχετικά με τις χρονο-καθυστερήσεις και την εγγενή συνοχή του δείγματός μου συνοψίζονται ως εξής: (α) Οι χρονο-καυτστερήσεις “σιδήρου vs. συνεχούς” (δηλαδή 5-7 vs. 2-4 keV), των οποίων η ερμηνεία ως φαινόμενο αντήχησης είναι ευρύτερα αποδεκτή, εξηγούνται από την παρουσία μίας “σημειακής” πηγής ακτίνων-Χ σε απόσταση μερικών βαρυτικών ακτίνων πάνω από τη ΜΟ. Εντούτοις, οι δυνατές τιμές άλλων σημαντικών παραμέτρων όπως η μάζα και η ιδιοπεριστροφή της ΜΟ, ή η γωνία κλίσης του συστήματος, δεν μπορούν να περιοριστούν σημαντικά. (β) Σε χαμηλές συχνότητες, οι χρονο-καθυστερήσεις “συνεχούς” έχουν μία παγκόσμια εξάρτηση από την ενέργεια και τη συχνότητα και εξαρτώνται περίπου από την τετραγωνική ρίζα του ρυθμού προσαύξησης κατά Eddington. (γ) Η εγγενής συνοχή έχει παγκόσμια εξάρτηση από την ενέργεα και τη συχνότητα, αν και η εξάρτηση αυτή δεν σχετίζεται με ξεκάθαρο τρόπο ούτε με την μάζα της ΜΟ, αλλά ούτε και με το ρυθμό προσαύξησης κατά Eddington.Το αποτέλεσμα (α) δεν μπορεί να βελτιωθεί με σημερινά δεδομένα. Είναι επίσης απίθανο να βελτιωθεί στο μέλλον, καθώς κάτι τέτοιο θα απαιτούσε μία σημαντική βελτίωση της ποιότητας των δεδομένων (π.χ. πολλές περισσότερες παρατηρήσεις από τον XMM-Newton). Τα (β) και (γ) συμφωνούν σε αδρές γραμμές με δημοφιλή μοντέλα μεταβλητότητας ακτίνων-Χ σε ΕΓΠ, αν και είναι απαραίτητο να συγκριθούν ακριβείς θεωρητικές προβλέψεις με τα αποτελέσματά μου ώστε να περιοριστούν τα μοντέλα.