[論文レビュー] 4MOST Consortium Survey 6: Active Galactic Nuclei

A. Merloni, D. M. Alexander+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、4MOST多対象スペクトログラフを用いて、1万平方度にわたる領域で最大100万個の活動銀河核（AGN）の赤方偏移および物理的性質を取得する大規模な分光調査、4MOST AGN調査を提案する。X線（eROSITA）および中赤外線（WISE）による選別を組み合わせることで、赤方偏移z ≲ 6の範囲で80–90%以上の高い完全性を達成し、SMBHの進化、AGNと宿主銀河の関係、宇宙論的クラスタリングに関する前例のない研究が可能になる。

ABSTRACT

X-ray and mid-infrared emission are signposts of the accretion of matter onto the supermassive black holes that reside at the centres of most galaxies. As a major step towards understanding accreting supermassive black holes and their role in the evolution of galaxies, we will use the 4MOST multi-object spectrograph to provide a highly complete census of active galactic nuclei over a large fraction of the extragalactic sky observed in X-rays by eROSITA that is visible to 4MOST. We will systematically follow up all eROSITA point-like extragalactic X-ray sources (mostly active galactic nuclei), and complement them with a heavily obscured active galactic nuclei selection approach using mid-infrared data from the Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE). The X-ray and mid-infrared flux limits of eROSITA and WISE are well matched to the spectroscopic capabilities of a 4-metre-class telescope, allowing us to reach completeness levels of ~80-90% for all X-ray selected active galactic nuclei with fluxes $f_{0.5-2\ { m keV}} > 10^{-14}$ erg s$^{-1}$ cm$^{-2}$; this is about a factor of 30 deeper than the ROSAT all-sky survey. With these data we will determine the physical properties (redshift, luminosity, line emission strength, masses, etc.) of up to one million supermassive black holes, constrain their cosmic evolution and clustering properties, and explore the connection between active galactic nuclei and large-scale structure over redshifts $0 \le z \le 6$.

研究の動機と目的

• 現在のAGNサンプルの制限を克服し、銀河外宇宙の広範な領域にわたって活動銀河核（AGN）の高完全性分光的アンケートを達成すること。
• 赤方偏移、明るさ、遮蔽、環境の多様性にわたるAGNの性質を測定することで、特大ブラックホール（SMBH）とその宿主銀河の共進化に関する主要な不確実性を解消すること。
• SMBH形成および成長のモデルとそのフィードバックおよび大規模構造形成における役割を検証するためのベンチマークデータセットを提供すること。
• 赤方偏移z ≈ 6までX線およびUV明るさ比を標準キャンドルとして用いることで、高精度な宇宙論的測定を可能にすること。
• 宇宙時間および大規模構造を横断したAGN空間分布のマッピングを通じて、AGNのクラスタリングおよび駆動メカニズムを研究すること。

提案手法

• X線点源（f0.5–2 keV > 10⁻¹⁴ erg s⁻¹ cm⁻²）をeROSITA全天調査から、中赤外線AGN候補（W1–W3色選別）をWISEから取得し、遮蔽レベルにわたる完全性を最大化する。
• 4メートル望遠鏡に搭載された4MOSTスぺクトログラフを用いて、約100万個のAGNターゲットの赤方偏移および物理的性質（明るさ、線スペクトル強度、ブラックホール質量）を取得する。
• eROSITAおよびWISEからの一貫性があり、よく定量化された選別関数を適用することで、AGNサンプル構築における統計的妥当性と最小限のバイアスを確保する。
• 青、緑、赤の3本のスペクトログラフを備えた構造を採用し、1ピクセルあたりS/Nが2.1、2.4、2.8に設定することで、r ≈ 23.4までのターゲットで90%を超える分光的成功率を確保する。
• 変動するAGN（例：「変化する外観」AGN）の時間領域的調査を可能にするために、南黄道帯の深さ調査（300平方度）を高頻度・深さで実施する。
• HSC、LSST、Euclid、電波調査からの多波長データを統合し、形態、環境、ジェット活動に基づいてAGNを分類することで、クラスタリングおよびフィードバック研究を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移、明るさ、宿主銀河質量に応じた特大ブラックホール（SMBH）の性質が、宇宙時間にわたってどのように進化するか？
• RQ2 遮蔽が強く、ダストで覆われたクェーサーは、AGN駆動フィードバックにおいて果たす役割は何か？ また、全体のAGN明るさ関数にどのように寄与しているか？
• RQ3 AGNのクラスタリング特性は、ダークマターのハロー質量および大規模構造とどのように関係しているか？ また、AGN駆動メカニズムの解明に何を明らかにしているか？
• RQ4 高赤方偏移および遮蔽された源においても、X線および中赤外線によるAGN選別法が、高分光的完全性を達成するためにどの程度相補的に機能するか？
• RQ5 クェーサーのX線対UV明るさ比は、z > 3の宇宙論的パラメータを制約するために、信頼性の高い標準キャンドルとして用いることができるか？

主な発見

• 4MOST AGN調査は、X線で選別されたAGN（f0.5–2 keV > 10⁻¹⁴ erg s⁻¹ cm⁻²）に対して少なくとも90%、より深いX線源に対しては80%の分光的完全性を達成し、統計的不確実性が最小限に抑えられる。
• 調査は1万平方度にわたって最大100万個のAGNをターゲットとし、1平方度あたり約100–120個の天体密度（南黄道帯の深さ調査領域では最大200個）を達成する。
• eROSITAとWISEの選別を組み合わせることで、X線調査が軟エネルギー応答のため、遮蔽が強い高明るさのクェーサーを逃すことがない、非常に完全なAGNサンプルが得られる。
• 調査ではz > 3のクェーサー数万個、z > 6のクェーサー数百個が検出され、クェーサー標準キャンドルを用いた高精度な宇宙論的測定が可能になる。
• 深さ調査領域では、繰り返しのX線および可視光分光観測により、変動するAGN（例：「変化する外観」AGN、日食型システム）の時間領域的調査が可能になる。
• 4MOSTとeROSITAおよびWISEを組み合わせることで、XLFのブレーク点（LX ≈ 10⁴⁴ erg s⁻¹）を上回る高明るさのAGNの検出数は、従来の調査と比べて多数のオーダー増加する。