Ralf Keil, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2006 :

"X-ray studies of ultraluminous infrared galaxies observed with XMM-Newton"



Schlagwörter: Astronomy, AGN, ULIRG, starburst, XMM-Newton, X-ray
PACS : 95.55.Ka, 95.85.Nv, 98.54.Cm, 98.54.Ep
Volltext

Summary

Kurzfassung

Umfangreiche Studien über ultra-leuchtkräftige Infrarot-Galaxien (ULIRGs) führen zu fundamentalen Fragen an die Astrophysik dieser Objekte: die Entflechtung der Emissionsprozesse zwischen AGN- und Sternentstehung sowie die Verbindung zu der Fe K Linienemission und anderen Emissionslinien. Die beste zur Verfügung stehende Technologie in Verbindung mit einem hohen Datendurchsatz erlaubt eine umfassendere und wesentlich genauere Analyse von Spektren als bei vorangegangenen Röntgen-Missionen. In dieser Dissertation werden die Röntgeneigenschaften von zwei ULIRGs mit Hilfe des XMM-Newton Observatoriums untersucht.

Eine der bekanntesten ULIRGs ist NGC 6240. Das (0.3 - 10.0) keV-Spektrum lässt sich modellieren durch: (i) drei kollisions-ionisierte Plasmen mit Temperaturen von 0.7 keV (führt zu weichen Emissionslinien), 1.4 keV bzw. 5.5 keV (Fe XXV- und Fe XXVI-Linien); (ii) ein hoch-absorbiertes Potenzgesetz und (iii) eine neutrale Fe Kα>-Linie. Zudem wurde ein signifikanter neutrale-Säulendichte-Gradient detektiert, der mit der Temperatur der drei Plasmen korreliert ist. Eine Verknüpfung des XMM-Newton-Spektralmodells mit dem räumlich hoch-aufgelösten Chandra-Bild zeigt, dass die Temperaturen und die Säulendichten zur Zentralregion von NGC 6240 hin zunehmen. Die Emissionslinien werden durch Sternentstehung erzeugt, während das Potenzgesetz und die neutrale Fe Kα-Linie auf eine AGN-Präsenz hinweisen.

Mit hoher Signifikanz wurde der Fe K Linienkomplex in drei voneinander getrennte schmale Linien aufgelöst: (i) die neutrale Fe Kα-Linie bei 6.4 keV; (ii) eine ionisierte Linie bei 6.7 keV; und (iii) eine höher ionisierte Linie bei 7.0 keV (eine Überlagerung der Fe XXVI- und der Fe Kβ-Linie). Während die neutrale Fe Kα Linie vermutlich auf Reflexion an optisch-dicker Materie zurückzuführen ist, entstehen die ionisierten Fe XXV- und Fe XXVI-Linien aus dem heißesten ionisierten Plasma.

Ein Vergleich der Plasma-Parameter bei NGC 6240 mit jenen, die in der lokalen Sternentstehungsgalaxie NGC 253 gefunden wurden, zeigt eine auffällige Ähnlichkeit in den Plasma-Temperaturen und den Säulendichte-Gradienten, welche einen gleichartigen zugrunde liegenden physikalischen Prozess in Galaxien mit hoher Sternentstehung und in ULIRGs nahelegt.

Die XMM-Newton-Daten von Mrk 1014 sind konsistent mit einem einfachen Potenzgesetz; ein Modell bestehend aus zwei Potenzgesetzen bzw. einem Potenzgesetz und einem kollisions-ionisierten Plasma ist ebenfalls akzeptabel. Daher ist es nicht sinnvoll, das Potenzgesetz gegenüber anderen Modellansätzen auf Grund der geringen Datenstatistik zu bevorzugen. Damit können keine physikalischen Aussagen über Mrk 1014 gemacht werden. Die Existenz eines weichen Überschusses konnte nicht bestätigt werden. Die harte überschüssige Emission (E > 5 keV) wurde mit grosser Sorgfalt analysiert, die geringe Photonenstatistik ließ eine Bestätigung dieser jedoch nicht zu. Zukünftige Röntgen-Missionen werden weiteres Licht auf diese Themen werfen.

Titel

Kurzfassung

Summary

Extensive studies of ultraluminous infrared galaxies (ULIRGs) are leading to the fundamental issues about the astrophysics of these objects: the deconvolution of the AGN-Starburst emission processes and the link to the Fe line emission and other emission lines. The capability of the best available technology in combination with the high throughput of the satellite allows a comprehensive analysis of the spectra in much more detail than obtained from previous X-ray missions. In this thesis the X-ray properties of two ULIRGs are investigated with XMM-Newton data.

One of the most prominent extremely luminous infrared galaxies is NGC 6240. The spectrum within (0.3 - 10.0) keV can be modelled with: (i) three collisionally ionized plasma components with temperatures of about 0.7 keV (resulting in soft emission lines), 1.4 keV, and 5.5 keV (Fe XXV- and Fe XXVI lines); (ii) a highly absorbed power law component, and (iii) a neutral Fe-Kα line. Furthermore, a significant neutral column density gradient has been detected and is correlated with the temperature of the three plasma components. Combining the XMM-Newton spectral model with the high spatial resolution Chandra image the temperatures and the column densities increase towards the central region of NGC 6240. The emission lines are produced by a Starburst, whereas the power law and the Fe-Kα line points to an AGN-presence.

With high significance, the Fe K line complex is resolved into three distinct narrow lines: (i) the neutral Fe-Kα line at 6.4 keV; (ii) an ionized line at about 6.7 keV; and (iii) a higher ionized line at 7.0 keV (a blend of the Fe XXVI and the Fe-Kβ line). While the neutral Fe K line is probably due to reflection from optically thick material, the ionized Fe XXV and Fe XXVI lines arise from the highest temperature ionized plasma component.

By comparing the plasma parameters of NGC 6240 with those found in the local Starburst galaxy NGC 253 a striking similarity has been found in the plasma temperatures and column density gradients, suggesting a similar underlying physical process at work in galaxies with an enhanced Starburst and in ULIRGs.

The XMM-Newton data of Mrk 1014 are consistent with a simple power law dominated spectrum. A model including two power laws or one power law and a collisionally-ionized plasma is also acceptable. Therefore, it is not reasonable to give preference to the power law compared to other attempts because of the low data statistics. For that reason, no statements about the physical conditions in Mrk 1014 can be made. The presence of a soft X-ray excess could not be confirmed. The published hard excess emission above 5 keV was analyzed with great accurateness, but could not be confirmed due to the low data quality. Future X-ray missions will shed more light on those issues.