[論文レビュー] Accretion onto Supermassive Black Holes in Quasars: Learning from Optical/UV Observations

P. Marziani, D. Dultzin‐Hacyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2006

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、光学およびUV観測を統合することで、クェーサーにおけるブラックホール質量およびEddington比の測定を向上させ、これらを広帯域線領域の構造と降着物理学に関連付ける。Eddington比と視点の両方が、Eigenvector 1 やBaldwin効果といった相関を最もよく説明できることを示し、多次元解析と視点に敏感な線幅プロファイルを組み合わせることで、赤方偏移に依存しない輝度推定が可能になる。

ABSTRACT

Accretion processes in quasars and active galactic nuclei are still poorly understood, especially as far as the connection between observed spectral properties and physical parameters is concerned. Quasars show an additional degree of complexity compared to stars that is related to anisotropic emission/obscuration influencing the observed properties in most spectral ranges. This complicating factor has hampered efforts to define the equivalent of an Hertzsprung-Russel diagram for quasars. Even if it has recently become possible to estimate black hole mass and Eddington ratio for sources using optical and UV broad emission lines, the results are still plagued by large uncertainties. Nevertheless, robust trends are emerging from multivariate analysis of large spectral datasets of quasars. A firm observational basis is being laid out by accurate measurements of broad emission line properties especially when the source rest-frame is known. We consider the most widely discussed correlations (i.e. the so-called "eigenvector 1 parameter space" and the "Baldwin effect") and analyze how they can be explained in terms of accretion properties, broad line region structure, and source evolution. We critically review recent estimates of black hole mass, accretion rate, spin and possible orientation indicators, stressing that any improvement in these parameters will provide a much better understanding of the physics and dynamics of the region producing the optical and UV broad emission lines. More accurate measurements of Eddington ratio and black hole mass may have a significant impact on our ideas about evolution of quasar properties with redshift and luminosity as well as on broader cosmological issues.

研究の動機と目的

• クェーサーのスペクトル的性質とブラックホール質量や降着率といった物理的パラメータを結びつける堅牢な観測的枠組みを確立すること。
• 増加するデータセットにもかかわらず、大きな不確実性に悩まされる現在の質量および降着率推定の限界を克服すること。
• Eddington比と源の視点が、クェーサーにおける観測された線の性質や系統的傾向をどのように決定づけるかを明確にすること。
• 線幅プロファイルからのEddington比、ブラックホール質量、視点の推定を組み合わせることで、赤方偏移に依存しない輝度測定を可能にすること。
• 多次元解析とBLR構造モデル化を用いて、経験的相関を超えたクェーサー多様性の物理的解釈の基盤を築くこと。

提案手法

• 大規模なクェーサースペクトルデータセットを用いた多次元解析により、Eddington比とブラックホール質量に依存する相関を特定する。
• Eigenvector 1 パラメータ空間を用いて、Eddington比、ブラックホール質量、視点の影響を広帯域線の性質から分離する。
• Baldwin効果および線幅プロファイル解析（例：C IV λ1549のシフトと非対称性）を、降着率と視点角の指標として適用する。
• 広帯域線幅からのバーリ性質量推定と全波長放射輝度を統合し、Eddington比を導出する。
• 放射圧がEddington比と傾斜角に敏感な流れを駆動する、ディスクと風の成分の組み合わせとして広帯域線領域をモデル化する。
• 10mクラスの望遠鏡からの高感度赤外分光計を用いて、高赤方偏移クェーサーへのEigenvector 1 図の拡張を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Eddington比と源の視点は、クェーサーの広帯域線の観測的性質にどのように同時に影響を与えるか？
• RQ2 Baldwin効果およびEigenvector 1 相関は、どれほど降着物理学とBLR幾何学によって説明可能か？
• RQ3 C IV λ1549線幅プロファイルから視点を推定することで、ブラックホール質量および輝度測定の精度が向上するか？
• RQ4 Eddington比およびブラックホール質量推定の改善が、クェーサー進化の宇宙論的解釈に与える影響は何か？
• RQ5 多次元解析および高分解能分光計測により、高赤方偏移クェーサーにおける赤方偏移に依存しない輝度測定はどのように可能になるか？

主な発見

• Eddington比 $L_{\rm bol}/L_{\rm Edd}$ は、単なる輝度よりもクェーサースペクトル的傾向の主因であることが示され、Eigenvector 1 空間における相関は、輝度依存的効果よりもより頑健である。
• Baldwin効果は $L_{\rm bol}/L_{\rm Edd}$ との相関ほど重要ではなく、線の等価幅を形作る要因として、全エネルギー連続スペクトルの変化が全輝度の変化よりも支配的であることを示している。
• C IV λ1549線のシフトおよびプロファイルは、$L_{\rm bol}/M_{\rm BH}$ および傾斜角 $\theta$ に敏感であり、個々の源についての視点推定が可能になる。
• 視点が $\pm 5^\circ$ の範囲で特定できると、$M_{\rm BH}$ および $L_{\rm bol}/M_{\rm BH}$ の不確実性はそれぞれ約60%および約80%にまで低下し、赤方偏移に依存しない輝度推定が向上する。
• スペクトル型を平均化することで、$\Delta m \approx 1$ の不確実性を低減でき、ハッブル図に価値あるデータポイントを提供できる。
• 10mクラスの望遠鏡を用いて、十分な信号対雑音比と分解能を確保できるため、$1 \lesssim z \lesssim 2.2$ の高赤方偏移クェーサーは、Eigenvector 1 図の高赤方偏移領域への拡張が可能になる。