[論文レビュー] A 3x10^9 solar mass black hole in the quasar SDSS J1148+5251 at z=6.41

Chris J. Willott, R. J. McLure+1 more|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|Mar 3, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 20被引用数 171

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z=6.41 の高赤方偏移クェーサー SDSS J1148+5251 における近赤外 H および K バンド分光法を提示し、赤方偏移の精緻化と 3×10⁹ M☉ のブラックホール質量の推定に寄与する広帯域の Mg ii λ2799 発光線を検出している。ブラックホールはエディントン限界に近い状態で放射しており、この質量のブラックホールが非常に初期の宇宙にありながらも、ほぼ最大の降着が行われていることを示している。

ABSTRACT

We present near-infrared H and K-band spectra of the z=6.41 quasar SDSS J114816.64+525150.3. The spectrum reveals a broad MgII 2799 emission line with a full-width half-maximium of 6000 km/s. From the peak wavelength of this emission line we obtain a more accurate redshift than is possible from the published optical spectrum and determine a redshift of z=6.41+/-0.01. If the true peak of the Lyman alpha emission is at the same redshift, then a large fraction of the flux blueward of the peak is absorbed. The equivalent width of the MgII emission line is similar to that of lower redshift quasars, suggesting that the UV continuum is not dominated by a beamed component. Making basic assumptions about the line-emitting gas we derive an estimate for the central black hole in this quasar of 3x10^9 solar masses. The very high luminosity of the quasar shows that it is accreting at the maximal allowable rate for a black hole of this mass adopting the Eddington limit criterion.

研究の動機と目的

• 近赤外分光法を用いて、高赤方偏移クェーサー SDSS J1148+5251 のより正確な赤方偏移を求める。
• Mg ii 発光線の幅と放射度を用い、バーリー質量推定式を適用してブラックホール質量を特定する。
• 質量推定値に影響を及ぼす可能性がある、ビーム効果や重力レンズ効果による放射度の増幅が、クェーサーの放射度に及んでいるかどうかを評価する。
• 高い質量と初期の宇宙時空という条件下で、ブラックホールがエディントン限界に近いか、あるいはその限界に達しているかどうかを評価する。

提案手法

• H バンドおよび K バンドの近赤外分光法は、スリット幅 0.48 arcsec、分解能 ~500 の UKIRT/UKIRT イメージング分光器 (UIST) を用いて取得された。
• スレートのスライドを用いたノーディング法によるスカイ補正を経て、F6星を用いたフラックスキャリブレーションとアルゴン線源を用いた波長キャリブレーションが行われた。
• 静止系で 2799 Å の広帯域 Mg ii 発光線が特定され、パワーライト連続スペクトル、Fe ii テンプレート、および広帯域化されたガウス線幅プロファイルを用いてフィッティングされた。
• 最良のフィットモデルから、Mg ii 線の全波長半値幅 (FWHM) は 6000 km s⁻¹ と測定された。
• ブラックホール質量は、バーリー質量推定式を用いて推定された：M_bh = 3.37 × (λL₃₀₀₀ / 10³⁷ W)^0.47 × (FWHM(Mg II) / km s⁻¹)^2。
• 降着率の評価のため、ボロメトリック補正係数 7 を用いて観測された全波長放射度とエディントン放射度を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クェーサー SDSS J1148+5251 の正確な赤方偏移は何か？ そして、光学的推定値と比較するとどうなるか？
• RQ2 SDSS J1148+5251 の中心ブラックホールの質量は何か？ そして、Mg ii 発光線からどのように導出されるか？
• RQ3 クェーサーの放射度がビーム効果や重力レンズ効果によって増幅されている可能性はあり、質量推定値にバイアスを及えるおそれがあるか？
• RQ4 ブラックホールはエディントン限界に近いか、あるいはその限界に達していると見なせるか？ そして、これは初期のブラックホール成長に何を示唆するか？

主な発見

• 広帯域 Mg ii λ2799 発光線のピーク波長を用いて、SDSS J1148+5251 の赤方偏移が z = 6.41 ± 0.01 に精緻化された。
• Mg ii 発光線の全波長半値幅 (FWHM) は 6000 km s⁻¹ であり、低赤方偏移の通常のクェーサーと一致する。
• FWHM(Mg II) と λL₃₀₀₀ を用いたバーリー質量推定式により、ブラックホール質量は 3×10⁹ M☉ と推定された。
• 3000 Å における観測された単色放射度は λL₃₀₀₀ = 6.2×10³⁹ W であり、ボロメトリック補正係数 7 を適用した後、全波長放射度は 4×10⁴⁰ W に相当する。
• クェーサーはエディントン限界に近い状態で放射しており、3×10⁹ M☉ のブラックホールに対するエディントン放射度と一致する 4×10⁴⁰ W の放射度を示している。
• Mg ii 線の等価幅は、低赤方偏移クェーサーと同程度であり、UV連続スペクトルに顕著なビーム効果の増幅がないことを示しており、質量推定値の妥当性を支持している。