YAKIN GALAKSİLERDE X-IŞIN KAYNAKLARININ XMM- NEWTON VE CHANDRA GÖZLEMLERİ

Transkript

1 YAKIN GAAKSİERDE X-IŞIN KAYNAKARININ XMM- NEWTON VE CHANDRA GÖZEMERİ Hasan AVDAN 1, Şenay KAYACI 2, Aysun AKYÜZ 3 1 Çukurova Üniversitesi, en Bilimleri Enstitüsü, izik Anabilim dalı, Adana (eposta: avdan.hsn@gmail.com) 2 Erciyes Üniversitesi, en akültesi, Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümü, Kayseri (eposta: kayaci.s@gmail.com) 3 Çukurova Üniversitesi, en-edebiyat akültesi, izik Bölümü, Adana (eposta: aakyuz@cu.edu.tr) Özet: Bu çalışmada XMM-Newton ve Chandra uydularının arşiv gözlem verileri kullanılarak, seçilen yakın galaksilerde (NGC 4631, NGC 4490/4485 ve NGC 4945) gözlenen noktasal (point-like) X-ışın kaynakları belirlenmiştir. Analiz için yeterli veriye sahip olan toplam 15 kaynağın X-ışın tayfları ve zamansal değişimleri incelenmiştir. İki galaksinin (NGC 4490/4485 ve NGC 4945) XMM-Newton arşiv gözlem verileri ilk kez noktasal kaynakların belirlenmesi amacıyla bu çalışmada kullanılmıştır. Belirlenen kaynakların X-ışın özellikleri ve ışıma mekanizmaları dikkate alınarak kaynakların doğası tartışılmıştır. 1. Giriş Galaksi-ötesi X-ışın kaynaklarının araştırılması yüksek enerji astrofiziğinde önemli ve güncelliğini koruyan konulardan biridir. Yakın galaksilerde (< 10 Mpc) X-ışın kaynaklarının araştırılması 1978 yılında uzaya fırlatılan Einstein uydusu ile en verimli dönemine başlamıştır yılında fırlatılan ve halen gözlemlerini sürdüren XMM-Newton ve Chandra uyduları, X-ışın astronomisi çalışmalarına çok önemli katkılar sağlamaktadır. Bu yeni nesil uydular, önceki X-ışın uyduları (ROSAT, ASCA, BeppoSAX) ile karşılaştırıldığında daha iyi açısal, uzaysal çözümleme gücüne ve ~10 kat daha fazla dedektör duyarlılığına sahiptir. Noktasal X-ışın kaynaklarının yakın galaksilerde çalışılması, çeşitli galaksilerdeki kaynak popülasyonunu anlamımıza yardımcı olmaktadır. Böylece X-ışın kaynaklarının ve bu kaynakların ev sahibi galaksilerinin evrimi hakkında bilgi edinmemizi sağlamaktadır. Yakın galaksilerde yapılan X-ışın çalışmalarında belirlenen noktasal X-ışın kaynakları; X-ışın çiftleri (X-ray Binaries, XRB), süpernovalar (SN) ve süpernova kalıntıları (Supernova Remnants, SNR), süper yumuşak kaynaklar (Super Soft Sources, SSS) ve aktif galaksi çekirdekleri (Active Galactic Nuclei, AGN) olarak sınıflandırılmaktadır. Bu çalışmada, seçilen yakın galaksilerin (NGC 4631, NGC 4490/4485 ve NGC 4945), XMM-Newton ve Chandra uydularının gözlem arşivlerinden alınan en uzun poz süreli gözlem verileri kullanılmıştır. Her iki uydunun da görüş alanına giren ve analiz için yeterli veriye sahip noktasal X-ışın kaynakları karşılaştırılarak, X-ışın tayfları ve zamansal değişimleri incelenmiştir. X-ışın özellikleri ve ışıma mekanizmaları dikkate alınarak kaynakların sınıflandırılması tartışılmıştır. 2. Gözlemler ve Veri İndirgeme Her üç galaksinin Chandra gözlemlerinin arşiv verileri Chandra Interactive Analysis of Observations (CIAO) v.4.3 programı ve CADB v kalibrasyon veritabanı 209

2 ile kalibre edilmiştir. Seçilen noktasal X-ışın kaynaklarını merkeze alacak şekilde yarıçapı 2'' 3'' aralığında olan dairesel alanlar seçilmiştir. Ayrıca her bir kaynaktan ardalanın katkısını çıkarmak için kaynağın yakınlarında 2'' 5'' aralığında dairesel alanlar seçilmiştir. Ardalan olarak seçilen bu bölgelerde başka noktasal kaynakların olmamasına dikkat edilmiştir. CIAO v.4.3 programı ile bu seçilen alanlar kullanılarak kaynakların tayf analizleri için gerekli veri dosyaları elde edilmiştir. XMM-Newton gözlemlerinin arşiv verilerinin analizinde Science Analysis System (SAS) v.10.0 programı kullanılmıştır. SAS ın en yüksek olasılık (maximum likelihood) tekniği kullanılarak noktasal X-ışın kaynakları belirlenmiştir. Seçilen noktasal X-ışın kaynaklarını merkeze alacak şekilde 10'' 20'' aralığında ve ardalan için de 20'' 40'' aralığında daireler seçilmiştir. Seçilen alanlar kullanılarak tayfsal ve zamansal analizler için gerekli veri dosyaları SAS v.10.0 programı ile elde edilmiştir. Galaksilerin analizinde kullanılan arşiv gözlemlerinin listesi Tablo-1 de verilmiştir. Belirlenen kaynakların X-ışın tayfları XSPEC v.12 programı kullanılarak oluşturulmuştur. XSPEC içerisinde bulunan tek bileşenli blackbody (BBODY), powerlaw (), diskblackbody (), bremsstrahlung (BREMSS) modelleri ve çift bileşenli +BBODY, + ve +MEKA modelleri kaynakların tayflarına uygulanmıştır. Burada amaç, kaynağın tayfı ile model arasındaki en iyi uyumu gösteren indirgenmiş (reduced) χ 2 değerini (Δχ 2 = ) bulmaktır. Genel olarak, kev enerji aralığında kaynağa en iyi uyumlu model belirlenerek ışıma mekanizması ve kaynağın olası doğası tartışılmıştır. Kaynakların zamansal değişim gösterip göstermediği, XMM-Newton verileri ile lcurve programında elde edilen kısa dönemli ışık eğrileri dikkate alınarak belirlenmiştir. Elde edilen ışık eğrilerine χ 2 istatististiği uygulanarak, eğrilerin genliklerinin, ortalama foton sayısından sapma olasılığı hesaplanmıştır. Bu sapma miktarının %95 den büyük olduğu durumlarda kaynakların kısa dönemli ışık eğrilerinin (1σ güvenilirlikle) değişim gösterdiği varsayılmaktadır. Tablo-1. Seçilen galaksilerin analizinde kullanılan arşiv gözlemleri. Galaksi Uydu Gözlem No Gözlem Tarihi Gözlem Süresi (s) NGC 4631 XMM-Newton Chandra NGC 4490 XMM-Newton Chandra NGC 4945 XMM-Newton Chandra Tartışma ve Sonuç 3.1 NGC 4631 NGC 4631, geç tip sarmal (spiral) bir galaksidir. 7.6 Mpc uzaklığa ve neredeyse kenardan görünüme (i = 85 0 ) sahiptir (Tully, 1988). NGC 4631 de yıldız oluşumu yoğundur ve dev yıldız oluşum bölgelerine sahiptir. Merkez bölgesi etrafında sıcak bir gaz diski bulunmakta ve galaksi düzleminde fazla sayıda HII bölgeleri görülmektedir (Vogler ve Pietsch, 1996). Radyo bölgesinde yapılan gözlemlerde, galaksinin manyetik alan çizgilerinin bu diske dik olduğu belirlenmiştir. Bu durumun güçlü kütle akışına neden olduğu düşünülmektedir (Read ve ark. 1997). Bu çalışmada NGC 4631 in XMM-Newton gözleminde tayf analizi için yeterli veriye sahip (merkez bölgesi hariç) 5 kaynak (XMM-1, 2, 3, 5 ve 6) incelenmiştir. Bu 5 210

3 kaynaklardan sadece 3 ü (XMM-1, 3 ve 6) Chandra gözleminde de görülebilmiştir. Galaksinin XMM-Newton EPIC RGB (Red Green Blue, Kırmızı Yeşil Mavi) ve Chandra görüntüsü Şekil-1 de verilmiştir. Seçilen kaynakların, XMM-Newton verileri kullanılarak elde edilen kısa dönemli ışık eğrileri Şekil-2 de verilmiştir. Tablo-2 (XMM-Newton) ve Tablo-3 de (Chandra), NGC 4631 de incelenen kaynakların X-ışın tayflarına en iyi uyum gösteren model parametreleri verilmiştir. XMM-1 ve kaynakları modeli ile en iyi uyumu göstermiştir ve kaynakların kısa dönemli ışık eğrilerinde belirgin değişkenlik görülmüştür. Kaynakların model parametrelerine, ışıma güçlerine ve zamansal değişkenlikleri dikkate alınarak bu kaynaklar UX bir kaynaklar sınıflandırılabilir. Tayfsal indisleri (Γ), Remillard ve McClintock (2006) tarafından düşük/sert (low/hard) durumdaki UX ler için belirlenmiş aralıkta (Γ ) olduğundani bu iki kaynağın düşük/sert durumda bir UX olduğu söylenebilir. kaynağının tayfı modeli ile en iyi uyumu göstermiştir. Kaynağın kısa dönemli ışık eğrisindeki belirgin değişkenlik, model parametreleri ve ışıma gücüne bakılarak UX olarak sınıflandırılabilir. Kaynağın sıcaklığının McClintock ve Remillard (2006) tarafından ısısal yüksek/yumuşak (thermal high/soft) durumda UX ler için belirlenmiş olan aralıkta (kt= kev) bulunduğundan, ısısal yüksek/yumuşak durumunda bir UX kaynak olarak sınıflandırılabilir. Şekil-1. NGC 4631 galaksisinin XMM-Newton EPIC RGB (solda) ve Chandra (sağda) görüntüleri. Şekil-2. NGC 4631 de analiz edilen kaynakların kısa dönemli ışık eğrileri. XMM-5 kaynağının tayfı BBODY modeli ile en iyi uyumu göstermiştir ve kısa dönemli ışık eğrisinde belirgin değişkenliğe sahip olduğu görülmüştür. Kaynağın modelini ve düşük sıcaklığını (kt=0.07 kev) dikkate alarak, XMM-5 i SSS olarak sınıflandırabiliriz. 211

4 XMM-5 sahip olduğu yüksek ışıma gücü (~10 40 ) nedeniyle çok parlak SSS sınıfına girmektedir. XMM-6 kaynağının tayfı modeli ile en iyi uyumu göstermektedir. Kaynağın kısa dönemli ışık eğrisinde belirgin bir değişkenlik gözlenmiştir. Model parametrelerine ve kısa dönem değişkenlik özelliği dikkate alınarak bu kaynağı bir XRB olarak sınıflandırabiliriz. Tablo-2. NGC 4631 galaksisinde incelenen kaynakların XMM-Newton verileri ile hesaplanan model parametreleri (N H : Hidrojen kolon yoğunluğu. Γ: Tayfsal indis. : Akı. : ışıma gücü). XMM-1 XMM-5 XMM-6 BBODY Tablo-3. NGC 4631 galaksisinde incelenen kaynakların Chandra verileri ile hesaplanan model parametreleri (N H : Hidrojen kolon yoğunluğu. Γ: Tayfsal indis. : Akı. : ışıma gücü). XMM-1 XMM NGC 4490/ NGC 4490 galaksisi bizden 7.8 Mpc uzaklıkta, sarmal bir galaksidir (Tully, 1988). Galaksinin kuzeyinde, yaklaşık 8 kpc uzağında etkileşimde olduğu küçük bir ikiz galaksi bulunmaktadır; NGC NGC 4485 düzensiz tipte bir galaksidir. NGC 4490/4485 sistemi yapısal olarak iyi bilinen Girdap (Whirlpool) sistemine (NGC 5194/5195) benzemektedir. NGC 4490/4485'in radyo ve uzak kızıl-ötesi bölgelerindeki gözlemlerinde yoğun yıldız oluşum bölgeleri belirlenmiştir (Roberts ve ark. 2002). Şekil-3. NGC 4490/4485 galaksisinin XMM-Newton EPIC RGB (solda) ve Chandra (sağda) görüntüleri. 212

5 Bu çalışmada NGC 4490/4485 in XMM-Newton ve Chandra gözlemlerinde merkez bölgesi hariç analiz için yeterli veriye sahip 4 kaynak (, 3, 4 ve 5) incelenmiştir. Galaksinin XMM-Newton EPIC RGB ve Chandra görüntüleri Şekil-3 de verilmiştir. Seçilen kaynakların, XMM-Newton verileri kullanılarak elde edilen kısa dönemli ışık eğrileri Şekil-4 de verilmiştir. Tablo-4 (XMM-Newton) ve Tablo-5 de (Chandra), NGC 4490/4485 de incelenen kaynakların X-ışın tayflarına en iyi uyum gösteren model parametreleri verilmiştir. Şekil-4. NGC 4490/4485 de analiz edilen kaynakların kısa dönemli ışık eğrileri., 3 ve 4 kaynaklarının tayfları modeli ile XMM-5 kaynağının tayfı modeli ile en iyi uyumu göstermiştir. Kaynakların model parametleri, ışık eğrileri ve ışıma güçleri dikkate alınarak, 3, 4 düşük/sert durumda UX ve XMM-5 ısısal yüksek/yumuşak durumda UX olarak sınıflandırılmıştır. Tablo-4. NGC 4490/4485 galaksisinde incelenen kaynakların XMM-Newton verileri ile hesaplanan model parametreleri (N H : Hidrojen kolon yoğunluğu. Γ: Tayfsal indis. : Akı. : ışıma gücü). Kaynak Model N H (10 22 ) cm -2 Γ kt kev XMM-4 XMM χ Tablo-5. NGC 4490/4485 galaksisinde incelenen kaynakların Chandra verileri ile hesaplanan model parametreleri (N H : Hidrojen kolon yoğunluğu. Γ: Tayfsal indis. : Akı. : ışıma gücü). XMM-4 XMM

6 3.3 NGC 4945 NGC 4945, 3.7 Mpc uzaklığa sahip sarmal tipte bir Seyfert 2 galaksisidir. Yakın kızılötesi gözlemleri, NGC 4945 in merkezinde optik bölgede gözlenemeyen çok yoğun yıldız oluşum bölgeleri bulunduğunu ortaya çıkarmıştır. Galaksinin merkeziyle çakışan çok parlak ve değişken sert bir X-ışın kaynağının belirlenmesi, NGC 4945 in merkezinde aktif bir çekirdek bulunduğunu doğrulamıştır. NGC 4945 bilinen Seyfert 2 galaksileri arasında en parlak çekirdeğe sahip galaksidir (Schurch ve ark. 2002). Bu çalışmada NGC 4945 galaksisinin XMM-Newton gözleminde yeterli veriye sahip (merkez bölgesi hariç) 6 kaynak (, 3, 4, 5, 6 ve 7) incelenmiştir. Bu 6 kaynaktan sadece 4 kaynak (, 3, 4 ve 6) Chandra gözleminde belirlenmiştir. Galaksinin XMM-Newton EPIC RGB ve Chandra görüntüleri Şekil-5 de verilmiştir. Seçilen kaynakların, XMM-Newton verileri kullanılarak elde edilen kısa dönemli ışık eğrileri Şekil-6 da verilmiştir. Şekil-5. NGC 4945 galaksisinin XMM-Newton EPIC RGB (solda) ve Chandra (sağda) görüntüleri. Şekil-6. NGC 4945 de analiz edilen kaynakların kısa dönemli ışık eğrileri. Tablo-6 (XMM-Newton) ve Tablo-7 de (Chandra), NGC 4945 de incelenen kaynakların X-ışın tayflarına en iyi uyum gösteren model parametreleri verilmiştir. Model parametreleri, ışıma güçleri ve kısa dönemli ışık eğrileri dikkate alınarak, 3, 4 214

7 kaynakları düşük/sert durumda UX; XMM-5, 6 ve 7 kaynakları XRB olarak sınıflandırılmıştır. Tablo-6. NGC 4945 galaksisinde incelenen kaynakların XMM-Newton verileri ile hesaplanan model parametreleri (N H : Hidrojen kolon yoğunluğu. Γ: Tayfsal indis. : Akı. : ışıma gücü). XMM-4 XMM-5 XMM-6 XMM-7 BBODY Tablo-7. NGC 4945 galaksisinde incelenen kaynakların Chandra verileri ile hesaplanan model parametreleri (N H : Hidrojen kolon yoğunluğu. Γ: Tayfsal indis. : Akı. : ışıma gücü). XMM-4 XMM Sonuç olarak bu üç galaksinin XMM-Newton ve Chandra verileri kullanılarak yapılan noktasal X-ışın kaynak çalışmasında, toplam 15 kaynağın tayfsal ve zamansal analizleri yapıldı. Yapılan analizler sonucunda 10 kaynak UX, 4 kaynak XRB ve 1 kaynak SSS olarak sınıflandırıldı. Yeni nesil XMM-Newton ve Chandra uyduları sayesinde X-ışın astronomisinde Galaksi-ötesi nokta kaynakların çalışılması sonucunda bu kaynakların doğaları berlilenmekte ve galaksilerdeki kaynak popülasyonları daha iyi anlaşılmaktadır. Gelecek nesil X-ışın teleskopu olarak hazırlanan erosita (extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array) uydusu ile X-ışın astronomisinde henüz anlaşılamamış bir çok konunun daha ayrıntılı ele alınması beklenmektedir. 4. Kaynaklar McClintock J. E., Remillard R. A., 2006, in ewin W. H. G., van der Klis M., Compact Stellar X-Ray Sources, Cambridge Univ. Press, Cambridge Read A. M., Ponman T. J., Strickland D. K., 1997, MNRAS, 286, 626 Remillard R. A., McClintock J. E., 2006, ARA&A, 44, 49 Roberts T. P. et al., 2002, MNRAS, 337, 677 Schurch N. J., Roberts T. P., Warwick R. S., 2002, MNRAS, 335, 241 Tully R. B., 1988, Nearby Galaxies Catalogue. Cambridge Univ. Press, Cambridge Vogler A., Pietsch W., 1996, A&A, 311,

8 216