活动星系核中尘埃环结构的研究

The torus is the key ingredient in the unified model of active galactic nuclei (AGNs); however, the knowledge of its structure is still limited. Due to the small scale of the torus, it is not possible to investigate its structure by direct imaging. Since the torus will absorb and reflect the X-ray emission from the accretion disk/corona, its structure can be constrained by its X-ray spectrum and variation. We plan to first perform the Monte Carlo simulation by Geant4 and build a detailed model, including spectra and temporal response of the torus (especially for the clumpy torus). Then we will apply this model to the observational data, e.g., the joint fitting of the X-ray and infrared spectra, the strength and velocity-resolved reverberation mapping of iron K lines, and the X-ray spectra of hot-dust-poor AGNs. Thus we can explore the geometry and dynamics of the torus, which are significant for a spatially complete model of AGNs and our understanding of the material supply to AGNs and the evolution of galaxies.

尘埃环是活动星系核（AGN）统一模型中的关键成分，但是我们对它结构的了解还比较有限。尘埃环的空间尺度很小，所以无法通过直接成像来研究其结构。尘埃环会吸收和反射吸积盘/冕发射的X射线，所以通过研究其X射线能谱和光变的性质可以对其结构进行限制。我们计划首先使用Geant4通过蒙特卡洛模拟计算，建立针对尘埃环（特别是团块状结构的尘埃环）的一个详细的能谱和时间响应模型；然后将这一模型应用到实际的观测数据中，例如X射线、红外联合能谱拟合，铁K线的强度和速度分解反响映射，缺乏热尘埃的AGN的X射线能谱等方面，从而对尘埃环的几何和动力学结构进行研究。这些方面的研究对建立一个空间上完整的AGN模型具有重要的意义，同时可以加深我们对AGN的原料供给和星系演化等重要问题的认识。

本项目申请书中提出可以通过X射线能谱来研究活动星系核（AGN）中尘埃环的结构，为此我们在项目执行期间开展了下列研究：.（1）我们使用Geant4 通过蒙特卡洛模拟计算，建立了尘埃环的能谱和时间响应模型，并将该模型通过HEASARC/Xspec公开发布给国际同行使用。我们的模型表明之前一个被广泛使用的尘埃环能谱模型存在严重错误。该结果引起了国际同行的重视，并最终由独立的第三方结果证实了我们的发现。.（2）我们研究了通过窄铁线的速度分解反响映射方法限制尘埃环动力学结构的效果。结果表明Athena/X-IFU需要100次5 ks的观测即可有效地区分不同的动力学情况。日本的Hitomi（Astro-H）发射后虽然由于严重事故已经失效，我们也根据它的实际在轨参数研究了它开展类似研究的能力。由于它的有效面积比较小，采用同样的曝光时间下给出的相关信号很弱，难以区分不同的动力学情况。要想达到与Athena/X-IFU类似的效果需要400次10 ks观测。.（3）我们分析了一批II型AGN的能谱数据，研究了它们的荧光线强度比。发现这一比值在5-60之间，显著低于连续分布尘埃环模型给出的理论值，同时与N=2-5的团块状尘埃环的预期结果大体一致。这一结果表明荧光线强比确实可以用来限制尘埃环的结构，并且目前的结果支持团块状尘埃环模型。.以上研究结果证明了通过X射线能谱来研究尘埃环结构的可行性。我们的研究结果丰富了该领域的技术手段，从而为深入理解黑洞燃料供给和吸积过程提供了新的线索。