Population synthesis of active galactic nuclei based on the radiation-regulated unification model

Résumé technique : Synthèse de population des noyaux actifs de galaxies basée sur le modèle d'unification régulé par le rayonnement

Énoncé du problème
Les noyaux actifs de galaxies (AGN) sont alimentés par des trous noirs supermassifs (TNSM) dont l'évolution est liée aux propriétés de la galaxie hôte. Bien que les relevés en rayons X fournissent des contraintes cruciales sur l'émission des AGN, l'obscurcissement et les taux d'accrétion, les modèles de synthèse de population précédents ont traité la réflexion et l'absorption comme des facteurs indépendants, s'appuyant souvent sur des modèles phénoménologiques plutôt que sur une modélisation physique auto-cohérente. De plus, la fraction intrinsèque des AGN Compton-épais (CTK) ($N_H \ge 10^{24} \text{ cm}^{-2}$) fait toujours l'objet de débats, les prédictions des modèles variant de 10 % à 50 %. Un défi majeur consiste à réconcilier l'anti-corrélation entre l'obscurcissement et la luminosité avec le « modèle d'unification », qui postule que l'orientation seule dicte la classification des AGN. Des propositions récentes suggèrent un modèle d'unification régulé par le rayonnement, où le facteur de couverture de la matière obscurcissante est piloté par le rapport d'Eddington ($\lambda_{\text{Edd}}$) plutôt que par la luminosité, la pression de radiation épurant l'environnement circumnucléaire. Ce travail vise à tester la cohérence de ce modèle régulé par le rayonnement par rapport à un ensemble complet d'observables en rayons X, tout en contraignant de manière auto-cohérente la géométrie du tore poussiéreux et l'évolution de la population locale d'AGN.

Méthodologie
Les auteurs emploient une approche d'inférence basée sur la simulation (SBI) pour contraindre les propriétés géométriques et physiques de la population d'AGN. La méthodologie comprend les étapes suivantes :

1. Génération d'une population synthétique : Au lieu d'échantillonner une fonction de luminosité en rayons X (XLF), la population synthétique est générée en échantillonnant la fonction de masse intrinsèque des trous noirs actifs locaux (BHMF) et la fonction de distribution du rapport d'Eddington (ERDF) dérivées par Ananna et al. (2022, A22) pour $z < 0,3$. Une prescription d'évolution simple est appliquée, où la densité numérique des TNSM actifs évolue avec le décalage vers le rouge ($e(z)$), tandis que les formes du BHMF et de l'ERDF restent constantes.
2. Géométrie régulée par le rayonnement : Un modèle géométrique complexe est construit à l'aide du code de traçage de rayons RefleX. Ce modèle comprend :
   • Une source de rayons X de type « lamp-post » (double source ponctuelle à $10 r_g$).
   • Un disque d'accrétion (anneau plat).
   • Une région à raies larges (BLR) modélisée comme un coin froid et exempt de poussière avec un facteur de couverture fixe de 0,2.
   • Un tore poussiéreux dont le bord intérieur est fixé à la limite extérieure de la BLR ($R_{\text{BLR,out}}$). Crucialement, le facteur de couverture du tore ($C_F$) est modélisé comme une fonction sigmoïde de $\lambda_{\text{Edd}}$, diminuant à mesure que les taux d'accrétion augmentent, conformément au modèle régulé par le rayonnement.
   • Des spectres d'émission (loi de puissance avec coupure à haute énergie) sont attribués en fonction de relations empiriques avec $\lambda_{\text{Edd}}$.
3. Simulation numérique : En utilisant RefleX, les auteurs effectuent des simulations de Monte Carlo pour propager les photons X (0,1 keV – 1 MeV) à travers la matière circumnucléaire, en tenant compte de la diffusion Compton, de l'absorption photoélectrique et de la fluorescence. Plus de $6 \times 10^6$ spectres sont générés sur des grilles de paramètres géométriques et spectraux.
4. Inférence : Les paramètres du modèle sont inférés en comparant la population simulée aux contraintes observationnelles à l'aide de la méthode Sequential Neural Posterior Estimation (SNPE). Les contraintes incluent :
   • Le spectre du fond diffus cosmique en rayons X (CXB) (2–100 keV).
   • Les comptages différentiels d'AGN dans trois bandes d'énergie (14–195 keV, 8–24 keV, 2–10 keV).
   • Les distributions observées de $N_H$ des AGN locaux.
   • La fraction d'AGN obscurcis en fonction de $\lambda_{\text{Edd}}$.
   • La fraction observée d'AGN CTK en fonction du flux limite.

Contributions clés

• Modélisation auto-cohérente : Il s'agit de la première étude de synthèse de population à échantillonner directement le BHMF et l'ERDF intrinsèques et à implémenter une géométrie et un spectre d'émission dépendants du rapport d'Eddington dans un cadre unifié où l'obscurcissement et la réflexion sont intrinsèquement liés par la distribution spatiale.
• Validation du modèle régulé par le rayonnement : L'étude teste rigoureusement le modèle d'unification régulé par le rayonnement, démontrant qu'une géométrie où le facteur de couverture du tore dépend de $\lambda_{\text{Edd}}$ peut reproduire simultanément le CXB, les comptages et les propriétés d'absorption.
• Fraction intrinsèque CTK : Les auteurs déduisent une fraction intrinsèque CTK robuste de $40 \pm 3\%$, nettement supérieure aux estimations précédentes, attribuant cela à l'inclusion de l'obscurcissement par la BLR qui établit une fraction CTK de base d'environ 20 %.
• Contraintes sur les paramètres : L'étude fournit des distributions a posteriori pour les paramètres physiques clés, notamment la distribution de la densité de colonne du tore ($\mu, \sigma$), la dépendance du facteur de couverture du tore vis-à-vis de $\lambda_{\text{Edd}}$ ($k$), et l'évolution de la fraction de TNSM actifs ($p_1, z_c$).

Résultats

• CXB et comptages : Le modèle reproduit avec succès l'intensité globale et la forme du spectre CXB, bien qu'il surestime légèrement le flux au-dessus de 60 keV. Les comptages différentiels sont reproduits dans les incertitudes, avec de légères surestimations à l'extrémité brillante de la bande 14–195 keV et des sous-estimations à l'extrémité faible des bandes plus douces.
• Propriétés d'absorption : Le modèle reproduit la distribution bimodale de $N_H$ et l'anti-corrélation entre la fraction obscurcie et $\lambda_{\text{Edd}}$. Cependant, le nombre absolu d'AGN obscurcis et non obscurcis détectés est surestimé d'environ 15–25 %, probablement en raison d'effets de sélection non entièrement capturés dans la population synthétique.
• Géométrie du tore : Le bord intérieur inféré du tore s'étend sur $\sim 0,5 - 8$ pc pour $-3 < \log \lambda_{\text{Edd}} < 0,5$, ce qui est cohérent avec les tailles interférométriques dans l'infrarouge moyen et le scénario régulé par le rayonnement. Le facteur de couverture diminue avec l'augmentation de $\lambda_{\text{Edd}}$, retrouvant la tendance observée dans les AGN locaux.
• Corrélation réflexion-obscurcissement : Le modèle reproduit qualitativement la tendance observée où la réflexion augmente avec $N_H$ pour les sources obscurcies, et prédit des niveaux de réflexion pour les AGN non obscurcis qui s'alignent mieux avec les observations que les modèles précédents.
• Évolution : L'évolution inférée de la fraction de TNSM actifs montre une augmentation brutale jusqu'à $z \approx 1$ suivie d'un plateau, cohérente avec les modèles d'évolution de densité pure utilisés dans les études de XLF.

Portée et affirmations
L'article affirme que le modèle d'unification régulé par le rayonnement est cohérent avec un ensemble très complet d'observables en rayons X. En passant d'une modélisation phénoménologique à une modélisation physique, les auteurs démontrent qu'une prescription d'évolution simple contrôlant la fraction active des TNSM suffit à reproduire le CXB lorsqu'elle est combinée à un BHMF et un ERDF échantillonnés localement. La fraction intrinsèque CTK déduite de $40 \pm 3\%$ est en bon accord avec les récentes observations NuSTAR de l'Univers local et les prédictions antérieures de synthèse de population. L'étude conclut que les différences dans le BHMF et l'ERDF entre les AGN obscurcis et non obscurcis peuvent être reproduites en échantillonnant une seule distribution parente, la distinction découlant uniquement des propriétés physiques et géométriques régissant l'obscurcissement. Les auteurs notent des limitations, telles que l'hypothèse de composants homogènes et l'absence d'autres obscurcisseurs potentiels (par exemple, poussière polaire, écoulements), suggérant ces aspects comme des domaines pour un raffinement futur.