[論文レビュー] A Sample of Massive Black Holes in Dwarf Galaxies Detected via [Fe X] Coronal Line Emission: Active Galactic Nuclei and/or Tidal Disruption Events

Mallory Molina, Amy E. Reines+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 220被引用数 71

ひとこと要約

本研究では、[Fe X]λ6374コロナライン線放出を示す81個の矮星銀河を同定し、質量が10⁵ M⊙未塔の巨大ブラックホール（MBH）への降着を示している。これは従来の光学的AGN調査では検出されない。SDSS分光観測を用いて、[Fe X]線放出は星の源ではあり得ないほど高輝度であり、星形成中で青い矮星銀河に存在する低降着率・低質量BHを探る手段であることが示された。これにより、光学的調査で見逃された隠れたAGNおよび潮汐破壊イベント（TDE）の集団が明らかになった。

ABSTRACT

The massive black hole (BH) population in dwarf galaxies ($M_{ m BH} \lesssim 10^5~M_\odot$) can provide strong constraints on the origin of BH seeds. However, traditional optical searches for active galactic nuclei (AGNs) only reliably detect high-accretion, relatively high-mass BHs in dwarf galaxies with low amounts of star formation, leaving a large portion of the overall BH population in dwarf galaxies relatively unexplored. Here, we present a sample of 81 dwarf galaxies ($M_\star \le 3 imes 10^9~M_\odot$) with detectable [Fe X]$\lambda$6374 coronal line emission indicative of accretion onto massive BHs, only two of which were previously identified as optical AGNs. We analyze optical spectroscopy from the Sloan Digital Sky Survey and find [Fe X]$\lambda$6374 luminosities in the range $L_{ m [Fe\,X]}\approx10^{36}$-$10^{39}$ erg s$^{-1}$, with a median value of $1.6 imes 10^{38}$ erg s$^{-1}$. The [Fe X]$\lambda$6374 luminosities are generally much too high to be produced by stellar sources, including luminous Type IIn supernovae (SNe). Moreover, based on known SNe rates, we expect at most 8 Type IIn SNe in our sample. On the other hand, the [Fe X]$\lambda$6374 luminosities are consistent with accretion onto massive BHs from AGNs or tidal disruption events (TDEs). We find additional indicators of BH accretion in some cases using other emission line diagnostics, optical variability, X-ray and radio emission (or some combination of these). However, many of the galaxies in our sample only have evidence for a massive BH based on their [Fe X]$\lambda$6374 luminosities. This work highlights the power of coronal line emission to find BHs in dwarf galaxies missed by other selection techniques and to probe the BH population in bluer, lower mass dwarf galaxies.

研究の動機と目的

• 低降着率AGN活動の探査に、[Fe X]λ6374コロナライン線放出を用いた矮星銀河内の巨大ブラックホールの同定を目的とする。
• 低輝度・低イオン化度・低降着率源を漏れなく特定できない従来の光学的AGN診断法（例：BPT図）の限界を克服することを目的とする。
• 矮星銀河における[Fe X]線放出がAGN降着に起因するのか、それともTDEや超新星のような一時的イベントに起因するのかを評価することを目的とする。
• [Fe X]線放出が、低質量・青色・星形成中矮星銀河に存在する巨大ブラックホールを検出する強力で補足的な手法であることを示すこと

提案手法

• NASA-Sloanアトラス（NSA v1.0.1）から、M⋆ ≤ 3 × 10⁹ M⊙ かつSDSS単一ファイバー分光観測で[Fe X]λ6374線放出が検出可能な81個の矮星銀河を選定した。
• [Fe X]λ6374の輝度を測定し、L[F I] ≈ 10³⁶–10³⁹ erg s⁻¹の範囲にあり、中央値は1.6 × 10³⁸ erg s⁻¹であった。
• 光学的線スペクトル診断（例：BPT/VO87図、He II/Hβ、[S II]/Hα 対 [O II]λλ7320,7330/Hα）を用いてAGNに類似したイオン化状態を評価した。
• アーカイブSDSSデータを用いて光学的変動を探索し、一時的AGN活動を同定した。
• Chandra X線データおよび電波調査（FIRST, VLASS）と照合し、AGN活動に一致するX線および電波放射を同定した。
• 既知の超新星の発光度と発生率と比較することで、星の源（例：Type IIn超新星）を除外した。その結果、81個の対象のうち[Fe X]発光度は全般的に6〜23倍高いことが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [Fe X]λ6374コロナライン線放出は、光学的AGN診断法で見逃されがちな矮星銀河内の巨大ブラックホールを信頼性高く同定できるか？
• RQ2 矮星銀河における観測された[Fe X]線放出は、AGN降着と比較してTDEや明るい超新星のような一時的イベントとどちらに一致するか？
• RQ3 標準的な光学的および赤外AGN選別関数では、どの程度の低質量・低降着率BH集団が検出されないまま残っているか？
• RQ4 [Fe X]輝度は既知の超新星と比較してどの程度の値を示し、AGNと一時的源を区別できるか？
• RQ5 追加のAGN指標（光学的変動、X線、電波）は、[Fe X]線放出とどの程度同時に観測されるか？

主な発見

• 検出可能な[Fe X]λ6374線放出を示す81個の矮星銀河の中央値輝度は1.6 × 10³⁸ erg s⁻¹であり、輝度範囲は10³⁶〜10³⁹ erg s⁻¹であった。
• 81個の銀河のうちわずか2個しか事前に光学的AGNとして同定されていなかったため、[Fe X]線放出は主に未調査の低降着率BH集団を検出していることが示された。
• [Fe X]λ6374の輝度は、星の源（例：明るいType IIn超新星）では説明できないほど高すぎる。特に最も強い発光（例：NSA 533731/Mrk 709S）はSN2005ipの23倍にのぼった。
• 81個の銀河のうち79個の[Fe X]線放出は、既知の超新星発生率では説明できない。サンプル内で予想されるType IIn超新星は約8個にとどまり、[Fe X]線検出数に比べてはるかに少ない。
• 光学的変動、X線放射、電波放射といった追加のAGN指標は一部のシステムで確認されたが、多くの銀河は[Fe X]輝度のみで同定された。これにより、[Fe X]線の診断的有用性が強調された。
• 本研究では、[Fe X]λ6374線放出が、特に低降着率または一時的活動を示す低質量・青色・星形成中矮星銀河に存在する巨大ブラックホールを信頼できるプローブであると確認した。