[論文レビュー] A high black hole to host mass ratio in a lensed AGN in the early Universe

Lukas J. Furtak, Ivo Labbé+35 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、z = 7.045 の高赤方偏移でレンズ効果を受けており、赤方偏移が著しい AGN である A2744-QSO1 に対する JWST/NIRSpec スペクトロスコピーを提示する。ブラックホール質量は 3×10⁷ M☉ であり、ブラックホールと銀河の質量比は少なくとも 3% に達するが、これはこれまでに観測された中で最も高い値の一つである。源は Eddington 界限の 30% で降着しており、初期宇宙におけるブラックホール種子と明るいクェーサーをつなぐ重要な進化段階を示している可能性がある。

ABSTRACT

Early JWST observations have uncovered a new population of red sources that might represent a previously overlooked phase of supermassive black hole growth (Kocevski et al. 2023; Matthee et al. 2023, Labbé et al. 2023). One of the most intriguing examples is an extremely red, point-like object that was found to be triply-imaged by the strong lensing (SL) cluster Abell 2744 (Furtak et al. 2023). Here we present deep JWST/NIRSpec observations of this object, Abell2744-QSO1. The spectroscopy confirms that the three images are of the same object, and that it is a highly reddened ($A_V\simeq3$) broad emission-line Active Galactic Nucleus (AGN) at a redshift of $z_{\mathrm{spec}}=7.0451\pm0.0005$. From the width of H$β$ ($\mathrm{FWHM}=2800\pm250\,\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$) we derive a black hole mass of $M_{\mathrm{BH}}=4_{-1}^{+2} imes10^7\,\mathrm{M}_{\odot}$. We infer a very high ratio of black hole to galaxy mass of at least 3%, an order of magnitude more than is seen in local galaxies (Bennert et al. 2011), and possibly as high as 100%. The lack of strong metal lines in the spectrum together with the high bolometric luminosity ($L_{\mathrm{bol}}=(1.1\pm0.3) imes10^{45}\,\frac{\mathrm{erg}}{\mathrm{s}}$) indicate that we are seeing the black hole in a phase of rapid growth, accreting at 30% of the Eddington limit. The rapid growth and high black hole to galaxy mass ratio of A2744-QSO1 suggest that it may represent the missing link between black hole seeds (Volonteri et al. 2021) and the first luminous quasars (Fan et al. 2022).

研究の動機と目的

• 高赤方偏移で点状の三重レンズ効果を受ける AGN 候補（A2744-QSO1）の性質を同定すること。
• 深紫外 J WST/NIRSpec スペクトロスコピーを用いて、A2744-QSO1 の赤方偏移、ブラックホール質量、降着特性を特定すること。
• ブラックホールと銀河の質量比を評価し、初期のブラックホール成長と銀河の共進化に与える意味を検討すること。
• z ≈ 7–8 の領域における、極めて赤方偏移が著しい低質量 AGN の空間密度と固有の豊度を推定すること。

提案手法

• 低分解能のプリズム分散器（0.5–5.3 μm、R ≈ 30–300）を用いた多スリットアレイ（MSA）モードで、JWST/NIRSpec を用いて深紫外スペクトロスコピー観測を実施した。
• 赤方偏移を、z_spec = 7.0451 ± 0.0005 で観測された幅広い Hβ 線の特定により測定した。
• Hβ 線の FWHM（2800 ± 250 km/s）を用いてブラックホール質量を計算し、M_BH = 3_{-1}^{+2} × 10⁷ M☉ を得た。
• F150W 画像に対する Sersic プロファイルフィッティングにより、ホスト銀河のサイズを推定し、レンズ補正後の 2σ 上限として r_e < 11.2^{+1.6}_{-0.8} mas（<30 pc に相当）を得た。
• 10,000 個のモック源を用いたフォワードモデリングにより、有効な共動的体積（V_eff = 27,541 ± 294 Mpc³）を計算し、このような源の数密度を導出した。
• 初期のブラックホールと銀河の形成に関する理論的一致性を検証するため、DELPHI 半的分析モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三重レンズ効果を受けており、極めて赤方偏移が著しい AGN 候補 A2744-QSO1 の赤方偏移と固有の物理的性質は何か？
• RQ2 A2744-QSO1 のブラックホール質量と降着率は何か？また、局所の AGN や初期宇宙の期待値と比較するとどうなるか？
• RQ3 A2744-QSO1 におけるブラックホールと銀河の質量比は何か？これは初期のブラックホール成長と共進化にどのような意味を持つのか？
• RQ4 z ≈ 7–8 の領域で、このような極めて赤方偏移が著しい低質量 AGN はどれほど一般的か？UV で選別された AGN 群と比較するとどうなるか？
• RQ5 DELPHI 半的分折モデルは、初期のブラックホール形成と成長の文脈で、A2744-QSO1 の観測された性質を再現できるか？

主な発見

• A2744-QSO1 のスペクトロスコピック赤方偏移は、z_spec = 7.0451 ± 0.0005 で確認され、再イオン化の時代に位置することが判明した。
• 幅広い Hβ 線の FWHM（2800 ± 250 km/s）を用いて、ブラックホール質量は M_BH = 3_{-1}^{+2} × 10⁷ M☉ と測定された。
• ブラックホールと銀河の質量比は少なくとも 3% であり、場合によっては最大 100% に達する可能性があり、これは局所銀河の典型的な値を著しく上回っている。
• 源は極めて赤方偏移が著しく（A_V ≈ 3）、Eddington 界限の 30% で降着しており、全波長放射能は (1.1 ± 0.3) × 10⁴⁵ erg/s であった。
• このような源の有効な共動的体積は V_eff = 27,541 ± 294 Mpc³ であり、数密度は φ = (7.3 ± 1.7) × 10⁻⁵ Mpc⁻³ mag⁻¹ であった。
• 数密度の推定結果から、このような極めて赤方偏移が著しい AGN は、z ≈ 7–8 において UV で選別された AGN よりも約 100 倍多く存在する可能性があり、ブラックホール成長のこれまでにない段階を示している。