[論文レビュー] A Balmer-line Broad Absorption Line Quasar

Patrick B. Hall|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、クェーサー SDSS J125942.80+121312.6 において、強力で幅広いバルマー系吸収線（Hβ から H9）に加え、低イオン化度および励起された Fe II の吸収を発見した。n=2 水素殻内の励起状態は、非常に光学的厚さが高く、コンプトン薄い吸収体による Lyα トンネル効果によって説明され、中性水素の吸収体の光学的厚さ（N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²）が非常に高い。これは、これまでに観測された中で最も強いバルマー線 BAL クェーサーであり、クェーサー吸収体におけるこのような状態の稀少性を浮き彫りにしている。

ABSTRACT

I report the discovery of blueshifted broad absorption line (BAL) troughs in at least six transitions of the Balmer series of hydrogen (Hbeta to H9) and in CaII, MgII and excited FeII in the quasar SDSS J125942.80+121312.6. This is only the fourth active galactic nucleus known to exhibit Balmer absorption, all four in conjunction with low-ionization BAL systems containing excited Fe II. The substantial population in the n=2 shell of H I in this quasar's absorber likely arises from Ly-alpha trapping. In an absorber sufficiently optically thick to show Balmer absorption, soft X-rays from the quasar penetrate to large τ_Lyαand ionize H I. Recombination then creates Ly-alpha photons that increase the n=2 population by a factor τ_Lyαsince they require about τ_Lyαscatterings to diffuse out of the absorber. Observing Ly-alpha trapping in a quasar absorber requires a large but Compton-thin column of gas along our line of sight which includes substantial H I but not too much dust. Presumably the rarity of Balmer-line BAL troughs reflects the rarity of such conditions in quasar absorbers.

研究の動機と目的

• 強力なバルマー系吸収線に加え、低イオン化度および励起された Fe II 吸収を示す希少なクェーサーを同定・特徴づけること。
• 強力な電離放射線が存在するにもかかわらず、クェーサー吸収体における中性水素（H I）の n=2 階層に励起状態が強く存在する物理的メカニズムを特定すること。
• Lyα トンネル効果および高い中性水素吸収体密度に必要な特定の条件を分析することで、バルマー線 BAL クェーサーの稀少性を説明すること。
• 吸収体の密度、イオン化状態、中心源からの距離を制約することで、クェーサー風モデルおよび AGNフィードバックに与える影響を評価すること。

提案手法

• SDSS DR5 に収録された SDSS J125942.80+121312.6 のスペクトルを分析し、Hβ から H9、Ca II、Mg II、励起された Fe II の吸収トロフに注目する。
• [O II] および [O III] の発光ラインを用いた赤方偏移測定により、クェーサーの赤方偏移（z = 0.7517）とブルーシフトした吸収特徴を特定する。
• Lyα トンネル効果理論を用いて H I の準位分布をモデル化し、光子が逃げる前に約 τ_Lyα 回の散乱を経る。これにより、n=2 準位の励起状態が τ_Lyα 倍に増幅される。
• バルマー系吸収トロフの深さと幅から、中性水素吸収体密度（N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²）を推定する。
• スペクトルから得られる弱いダスト含有量とコンプトン厚い吸収の欠如をもとに、吸収体の光学的厚さおよびコンプトン薄さを評価する。
• 既知の BAL クェーサーと比較することで、バルマー線吸収の希少性および特定の吸収体条件（高 τ_Lyα、高 N_HI、低ダスト、コンプトン薄）の役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDSS J125942.80+121312.6 の吸収体において、中性水素（H I）の n=2 階層に強い励起状態が存在する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 高濃度の中性水素吸収体が存在するにもかかわらず、なぜバルマー線の広帯域吸収線がクェーサー吸収体において極めて稀なのであるか？
• RQ3 Lyα トンネル効果は、このクェーサーにおける観測されたバルマー系吸収にどのように寄与しているのか？また、これにより吸収体の光学的厚さおよび幾何学的形状にどのような示唆があるか？
• RQ4 観測されたバルマー系および Fe II 吸収特徴に基づいて、吸収体のイオン化状態、密度、中心源からの距離にどのような制約を課すことができるか？
• RQ5 高温度といった代替メカニズムが観測された H I 準位分布を説明できる可能性があるが、なぜそれが不適切であると考えられるのか？

主な発見

• SDSS J125942.80+121312.6 は、クェーサーで観測された中で最も強いバルマー系吸収線（Hβ から H9）を示しており、最も深い吸収トロフは 2960 ± 70 km s⁻¹ のブルーシフトを示している。
• 吸収体の高濃度の中性水素吸収体密度（N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²）は、観測されたバルマー系吸収の深さと幅と整合的である。
• H I の n=2 シェルにおける励起状態は、Lyα トンネル効果によって最もよく説明され、光子が逃げる前に約 τ_Lyα 回の散乱を経る。これにより、n=2 準位の励起状態が τ_Lyα 倍に増幅される。
• 吸収体はコンプトン薄く、ダストを含まない。これは、強い減光が見られず、近赤外域（J=17.00±0.16、Ks=15.32±0.15）でクェーサーが検出されたことからも裏付けられている。
• バルマー線 BAL クェーサーの希少性（BAL クェーサー全体の 1% 未満）は、極めて特異かつ厳密な条件が必要であることに起因する：高 τ_Lyα、高 N_HI、低ダスト、コンプトン薄い幾何学的形状。
• このクェーサーにおけるバルマー系吸収に加え、励起された Fe II および低イオン化度ラインの検出により、このような系は鉄低イオン化度 BAL クェーサーに関連していることが確認され、かつて考えられていたよりも一般的である可能性があるが、弱いまたは赤方偏移した特徴のため、しばしば見逃されている。