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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-28831
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2883/


Accretion and Emission close to supermassive Black Holes in Quasars and AGN : Modeling the UV-X-spectrum

Akkretion und Emission in der Umgebung supermassiver Schwarzer Löcher in Quasaren und AGN : Modellierung des UV- und Röntgenspektrums

Goosmann, René W.

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SWD-Schlagwörter: Röntgenstrahlung , Aktiver galaktischer Kern , Modellierung , Strahlungstransport , Akkretionsscheibe
Freie Schlagwörter (Deutsch): Röntgen-Flares
Freie Schlagwörter (Englisch): X-rays , Active Galactic Nuclei , modeling , radiative transfer , accretion disk , X-ray-flares
Basisklassifikation: 39.41
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Reimers, Dieter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.02.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 02.05.2006
Kurzfassung auf Englisch: With the last generation of X-ray satellites, such as XMM-Newton and Chandra, our knowledge about the X-ray properties of Active Galactic Nuclei (AGN) has greatly improved. Detailed spectroscopy and long-term observations of hundreds of kilo-seconds have provided new insights into the mechanisms of X-ray production, its modification by intervening matter, and X-ray variability.

In this thesis I present radiative transfer modeling of AGN in the Far-UV and X-ray range. The modeling considers several aspects of the observed X-ray properties: the Compton reflection/reprocessed component, X-ray variability and flares, and the effects of the warm absorber.

For the X-ray reprocessing, I investigate in detail the magnetic flare model assuming solar-like magnetic reconnections above the accretion disk. Such events should produce bright, compact sources of hard X-ray radiation creating a hot spot on the disk surface underneath. I evaluate the physical properties of the disk medium across such a spot and compute spectra of the reprocessed radiation as a function of the position in the spot and of the local viewing direction. Spots at several distances of the central black hole and for different orbital phases are considered and I vary the black hole mass, its accretion rate, and its spin-parameter. Spectra are also computed for a distant observer including a full relativistic treatment, which is based on a ray-tracing technique. I provide time-dependent simulations of single flare events taking into account the time-lags induced by the distance between the compact flare source and different positions of the hot spot. The flare modeling is conducted assuming an underlying accretion disk in hydrostatic equilibrium. The duration of the flare is supposed to be significantly smaller than the dynamical time-scale, so that the vertical density structure of the disk remains constant over the whole flare-period.

Recent observations of the Seyfert-1 galaxy MCG -6-30-15 with XMM-Newton revealed a light-curve with a bright symmetric flare over 2000 s. For this flare, Ponti et al. (2004) presented a cross-correlation analysis deriving time-lags in several energy bands. I present a simple toy model describing such time-lags by assuming that the observer detects the primary radiation and the reprocessed component as two consecutive pulses. The toy model qualitatively reproduces the observed time-lags of MCG -6-30-15 and allows an estimation of the distance between the flare source and the disk.

Using the results of the single-flare modeling, Monte-Carlo simulations for distributions of orbiting flare-spots across an accretion disk are conducted. The resulting fractional variability spectrum is constructed for different radial luminosity distributions and values of the black hole spin. These parameters are constrained for MCG -6-30-15 by applying the model to its observed fractional variability spectrum.

Finally, the modification of the X-ray radiation in regions farther away from the central object is considered by modeling the warm absorber. A grid of models is computed for a warm absorber in pressure equilibrium as recently suggested by the observation of the Seyfert-1 galaxy NGC 3783. General tendencies for the stratification of the medium and for the resulting absorption spectra are shown by varying the slope of the incident spectrum, the ionization parameter, and the column density of the warm absorber.
Kurzfassung auf Deutsch: Die neuste Generation von Röntgensatelliten, wie XMM-Newton und Chandra, ermöglicht es, wesentliche neue Erkenntnisse über die Röntgeneigenschaften aktiver galaktischer Kerne (AGN) zu gewinnen. Hochauflösende Spektroskopie und Langzeitbeobachtungen über hunderte von Kilosekunden ergeben neue Einblicke in die Entstehung der Röntgenstrahlung, ihre Wechselwirkungen mit umgebender Materie, und ihre Veränderlichkeit.

In dieser Dissertation stelle ich Strahlungstransportsimulationen für AGN im fernen UV- und im Röntgenspektrum vor. Ich behandele verschiedene Aspekte der beobachteten Röntgenspektren: Compton-Reflexion und Reprocessing, Röntgenveränderlichkeit und Röntgenflares sowie den Einfluss von warm absorbern.

Im Zusammenhang mit dem Reprocessing untersuche ich ausführlich das Flaremodell, das, in Analogie zu Sonnenflares, auf magnetischen Rekonnektionen beruht. Dabei sollten kompakte, leuchtkräftige Quellen entstehen, die auf der Oberfläche der Akkretionsscheibe so genannte hot spots erzeugen. Ich untersuche die physikalischen Eigenschaften der Scheibenmaterie an verschiedenen Stellen eines solchen hot spots und berechne Spektren für das Reprocessing in unterschiedlichen Abstrahlungsrichtungen. Ich betrachte hot spots in verschiedenen Entfernungen vom zentralen Schwarzen Loch und für unterschiedliche Phasenlagen auf der Scheibe. Außerdem variiere ich die Masse des Schwarzen Loches, seine Akkretionsrate, und den Spin-Parameter. Ich berechne auch für einen entfernten Beobachter Spektren, wobei relativistische Korrekturen durch die Anwendung eines Ray-Tracing-Programms berücksichtigt werden. Ich erzeuge zeitabhängige Simulationen von einzelnen Röntgenflares und beziehe dabei Zeitverzögerungseffkte durch die Entfernung zwischen der Quelle und verschiedenen Stellen des hot spots mit ein. Die Modellierung eines Flares geschieht unter der Annahme, dass sich die Akkretionsscheibe im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Dabei wird für den Flare eine deutlich kürzere Dauer als die dynamische Zeitskala der Scheibe angenommen, so dass die vertikale Dichtestruktur während des Flares unverändert bleibt.

Beobachtungen der Seyfert-1-Galaxie MCG -6-30-15 mit XMM-Newton liefern eine Lichtkurve mit einem starken Flare von 2000 s Dauer. Für diesen Flare haben Ponti et al. (2004) Zeitverzögerungen in einzelnen Spektralbändern berechnet. Ich stelle ein einfaches Modell vor, das solche Zeitverzögerungen beschreibt, und dabei annimmt, dass ein entfernter Beobachter die Primärstrahlung des Flares und das Reprocessing als zwei aufeinander folgende Pulse wahrnimmt. Das Modell beschreibt die beobachteten Zeitverzögerungen in MCG -6-30-15 qualitativ korrekt und erlaubt eine Abschätzung des Abstandes zwischen der kompakten Quelle des Flares und der Akkretionsscheibe.

Mit Hilfe der Ergebnisse für die Modellierung eines einzelnen Flares führe ich Monte-Carlo-Rechnungen für Flare-Verteilungen über der Akkretionsscheibe durch. Ich berechne das fractional-variability-spectrum eines solchen Systems für verschiedene radiale Häufigkeitsverteilungen der hot spots und unterschiedlichen Spin des Schwarzen Loches. Die Anwendung dieses Modells auf ein beobachtetes fractional-variability-spectrum liefert Eingrenzungen dieser Parameter für den Fall von MCG -6-30-15.

Schließlich betrachte ich Veränderungen des Röntgenspektrums in Regionen, die weiter von der zentralen Quelle entfernt sind, und modelliere den warm absorber. Ich berechne ein Gitter von Modellen für einen warm absorber im Zustand konstanten Druckes. Ein solcher physikalischer Zustand wurde kürzlich durch die Beobachtung der Seyfert-1-Galaxie NGC 3783 nahe gelegt. Ich beschreibe allgemeine Tendenzen für die Struktur des Mediums und für die resultierenden Spektren und variiere dabei das einfallende Spektrum und die Säulendichte des warm absorbers.

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