[論文レビュー] Black hole mass estimates in quasars - A comparative analysis of high- and low-ionization lines

P. Marziani, A. del Olmo+8 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 139被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、クェเซアのブラックホール質量（M_BH）のためのバーリティス幅推定器としてのC IV λ1549線幅の使用を評価し、流れ出しとエディングトン比の影響により、補正が施されないC IV FWHMはM_BHを過大評価することを発見した。光度およびエディングトン比依存の補正を施した後、C IVに基づくM_BH推定値はHβに基づく質量と比較して約0.3 dexの散らばりにまで低下し、光度が4桁の範囲にわたり、信頼できる高光度ブラックホール質量推定が可能になる。

ABSTRACT

The inter-line comparison between high- and low-ionization emission lines has yielded a wealth of information on the quasar broad line region (BLR) structure and dynamics, including perhaps the earliest unambiguous evidence in favor of a disk + wind structure in radio-quiet quasars. We carried out an analysis of the CIV 1549 and Hbeta line profiles of 28 Hamburg-ESO high luminosity quasars and of 48 low-z, low luminosity sources in order to test whether the high-ionization line CIV 1549 width could be correlated with Hbeta and be used as a virial broadening estimator. We analyze intermediate- to high-S/N, moderate resolution optical and NIR spectra covering the redshifted CIV and H$β$ over a broad range of luminosity log L ~ 44 - 48.5 [erg/s] and redshift (0 - 3), following an approach based on the quasar main sequence. The present analysis indicates that the line width of CIV 1549 is not immediately offering a virial broadening estimator equivalent to H$β$. At the same time a virialized part of the BLR appears to be preserved even at the highest luminosities. We suggest a correction to FWHM(CIV) for Eddington ratio (using the CIV blueshift as a proxy) and luminosity effects that can be applied over more than four dex in luminosity. Great care should be used in estimating high-L black hole masses from CIV 1549 line width. However, once corrected FWHM(CIV) values are used, a CIV-based scaling law can yield unbiased MBH values with respect to the ones based on H$β$ with sample standard deviation ~ 0.3 dex.

研究の動機と目的

• 高光度クェーサーにおけるブラックホール質量（M_BH）のための、C IV λ1549線幅が信頼できるバーリティス幅推定器（VBE）として機能するかどうかを検証すること。
• 流れ出し、方位、エディングトン比がC IV線幅およびHβに基づくM_BH推定値との関係に与える影響を調査すること。
• 光度およびエディングトン比の影響を考慮したC IV FWHM用の補正係数を構築・検証し、広い光度動的範囲にわたり偏りのないM_BH推定が可能になるようにすること。

提案手法

• 著者らは、赤方偏移が0〜3の範囲にわたり、中程度から高SNRの光学およびNIRスペクトルを用いて、28個の高光度クェーサーおよび48個の低光度クェーサーを分析した。
• クェーサーのメインシーケンスを基準フレームワークとして用い、光度範囲log L ≈ 44–48.5 erg s⁻¹において、C IV λ1549およびHβのFWHMを比較した。
• 光度（L）およびエディングトン比（L/L_Edd）に基づき、補正係数ξ_CIVをFWHM(C IV)に適用し、1 / [1 + k·L^a·(L/L_Edd)^b]の形でモデル化した。ここでa ≈ 0.1、b ≈ 1である。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、合成クェーサー標本を生成し、方位、流れ出し速度（Q）、およびエディングトン比分布がC IVおよびHβからのM_BH推定値に与える影響をテストした。
• 補正済みC IV推定器の性能は、合成データおよび実データにおけるM_BH(C IV)とM_BH(Hβ)の比較を通じて評価され、散らばりとバイアスを測定した。
• 解析には、線幅に観測方向依存性を組み込む式（式10および式12）を用い、観測された線プロファイルにおける視点依存性をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高光度クェーサーにおけるブラックホール質量のためのC IV λ1549線幅は、信頼できるバーリティス幅推定器として使用可能か？
• RQ2 C IV λ1549とHβに基づくM_BH推定値の間の系統的ずれの原因は何か？ そして、これを補正する方法は？
• RQ3 流れ出しとエディングトン比はC IV λ1549のFWHMにどのように影響を与え、これらの影響をモデル化することでM_BH推定値の精度を向上させられるか？
• RQ4 補正済みC IVベースのM_BH推定器は、広い光度範囲にわたり、Hβベースの推定器と同等の精度を達成するか？
• RQ5 源の方位はC IVベースのM_BH推定値の信頼性にどの程度影響を及ぼし、補正によってこれを軽減できるか？

主な発見

• 補正が施されないC IV λ1549のFWHMは、流れ出しとエディングトン比の影響による顕著な幅広がりのため、M_BHの信頼できるバーリティス幅推定器とはならない。
• 光度およびエディングトン比依存の補正係数を適用した後、C IV λ1549とHβに基づくM_BH推定値の間の散らばりは約0.3 dexにまで低下した。
• 補正済みC IVベースのM_BHスケーリング則は、光度がlog L ≈ 44–48.5 erg s⁻¹の範囲（4桁以上）にわたり、Hβベースの質量と比較してバイアスのない推定値を提供した。
• 方位の影響はC IVおよびHβの両方のM_BH推定値に系統的バイアスをもたらすが、補正により視点および流れ出し速度によって生じる散らばりが顕著に低減された。
• 合成モデルにおいて、流れ出しパラメータQ ≈ 4の場合、C IV λ1549はほぼ完全なバーリティス幅推定器となり、散らばりは主にHβの測定誤差に起因した。
• 本研究では、最高光度でもバルク線領域のバーリティスな成分が依然として存在することを確認し、補正を施せばC IVがM_BH推定器として実用的であることを裏付けた。