Kosmische Röntgenhintergrundstrahlung aus Aktiven Galaktischen Kernen

Viele Wissenschaftler glauben, dass der kosmische Röntgenhintergrund (CXB von engl. cosmic X-ray background) die Summe der rotverschobenen Emission aller aktiven Galaxienkerne (AGN von engl. active galactic nuclei) des sichtbaren Universums darstellt und damit Rückschlüsse auf das Wachstum der massereichen schwarzen Löcher gezogen werden können. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astrophysik haben nun einen weiteren wichtigen Aspekt dieses Modells überprüft.

Abb. 1: Oben: Kumulatives 3-300 keV Spektrum der lokalen AGN mit harter Röntgenleuchtkraft (im 17-60 keV oder 3-20 keV Energieband) im Bereich von 1041 bis 1043.5 erg/s, gewonnen durch Summieren der Spektren einzelner, von INTEGRAL und RXTE beobachterter AGN. Die statistischen und systematischen Unsicherheiten werden durch die Fehlerbalken bzw. den gelben Bereich angegeben. Die durchgezogene Linie zeigt das zu den Daten am besten passende Modell, welches als Summe von absorbierten und nicht-absorbierten Spektren (Potenzgesetz mit exponentiellem Abfall) berechnet wurde. Die gestrichelten Linien zeigen die Beiträge von nicht-verdunkelten, verdunkelten und für Compton-Strahlung dichten AGN.
Unten: wie obere Abbildung, aber für AGN mit harter Röntgenleuchtkraft, die größer als 1043.5 erg/s ist.

Abb. 2: Oben: Durchgehende Linie - Das kumulative lokale AGN Spektrum, berechnet unter Berücksichtigung der Rotverschiebungsabhängigkeit der AGN Röntgenleuchtkraftsdichte, wie sie von den tiefen Himmelsdurchmusterungen mit Hilfe von Chandra und XMM-Newton abgeleitet werden kann. Der vertikal schraffierte Bereich zeigt die statistischen, der horizontal schraffierte Bereich die 20% systematischen Unsicherheiten in der globalen Normalisierung an. Die Punkte mit Fehlerbalken zeigen den CXB, wie er mit INTEGRAL gemessen wurde (linkPfeil.gifAktuelle Forschung Oktober 2006).
Unten: Zum Vergleich das Ergebnis ohne kosmologische Entwicklung der AGN.

Die grosse Menge der über die letzten Jahre gewonnenen Beobachtungsdaten bestätigt das Bild, dass sich der kosmische Röntgenhintergrund als Superposition der Strahlung vieler AGN erklären lässt. Insbesondere war es mit Röntgenteleskopen möglich, bei Energien unterhalb von einigen keV den größten Teil des CXB in einzelne AGN aufzulösen. Jedoch befindet sich das Maximum des CXB Spektrums in der Nähe von 30 keV, wo 99% der Hintergrundemission noch nicht aufgelöst werden konnte und es wurde bisher noch nicht direkt nachgewiesen, dass die Superposition der harten Röntgenstrahlung (zwischen zehn und einigen hundert keV) aller AGN innerhalb eines bestimmten Raumbereiches des Universums mit der gemessenen spektralen Energieverteilung übereinstimmt (linkPfeil.gifAktuelle Forschung Oktober 2006). Dieser wichtige Vergleich wurde nun von Wissenschaftlern am MPA durchgeführt mit Hilfe von Daten der Himmelsdurchmusterungen von RXTE (linkPfeil.gifAktuelle Forschung Februar 2004) und INTEGRAL (linkPfeil.gifAktuelle Forschung Oktober 2006 und linkPfeil.gifAktuelle Forschung Mai 2007).

Das Ziel ist also, das kumulative Spektrum der lokalen AGN Population (Rotverschiebung z<0.1) in dem breiten Energieband von 3 bis 300 keV zu bestimmen. Bisher wurde die Überlagerungsanalyse für insgesamt 152 AGN unter Berücksichtigung der Raumdichte von AGN unterschiedlicher Leuchtkraft durchgeführt (davon wurden 84 AGN mit dem PCA Instrument des RXTE Satelliten und 68 mit dem IBIS/ISGRI Instrument an Bord von INTEGRAL beobachtet).

Das resultierende Spektrum (Abbildung 1) hat ein Maximum bei 50-80 keV und fällt unterhalb von 20 keV (auf Grund der Photoabsorption in optisch verdunkelten AGN, welche am häufigsten vorkommen) und oberhalb von 100-200 keV ab. Dieses lokale kumulative AGN Spektrum erweist sich, trotz gewisser statistischer und systematischer Unsicherheiten, sowohl in der spektralen Form, als auch der Amplitude mit dem Spektrum des CXB konsistent (Abbildung 2). Das trifft allerdings nur zu, wenn es beim sogenannten "cosmic downsizing" der AGN zwischen z~1 und z=0, wie es von tiefen Himmelsdurchmusterungen mit Hilfe von Chandra und XMM-Newton im Röntgenbereich bekannt ist, zu keinen wesentlichen Modifikationen der Form des AGN Spectrums im harten Röntgenbereich kommt.

Dies bestätigt, dass die Vorstellung über die Erklärung des kosmische Röntgenhintergrunds korrekt ist. Verbesserte Messungen zur kumulativen spektralen Verteilung und kosmologischen Entwicklung der AGN mit Hilfe von laufenden und zukünftigen Röntgenmissionen werden ermöglichen, mehr über das Wachsen massereicher schwarzer Löcher und das Gesamtbild der AGN zu lernen.


S. Sazonov, M. Revnivtsev, R. Krivonos, E. Churazov, R. Sunyaev


Veröffentlichung:

S. Sazonov, R. Krivonos, M. Revnivtsev, E. Churazov, and R. Sunyaev, Cumulative hard X-ray spectrum of local AGN: a link to the cosmic X-ray background, submitted to Astronomy and Astrophysics, linkPfeilExtern.gifarXiv0708.3215