[論文レビュー] Black-hole masses of distant quasars

M. Vestergaard|ArXiv.org|Apr 17, 2009

Relativity and Gravitational Theory参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、広帯域発光線の幅と連続スペクトルの輝度に基づく質量スケーリング関係を、遠方のクェーサーにおけるブラックホール質量を推定する最も信頼性の高い手法として提唱している。統計的不確実性は約4倍である。赤方偏移z ≈ 4–6のクェーサーは、約10億〜100億太陽質量のブラックホールを有しており、これは初期宇宙における急速な成長を示しており、10^10 M☉の自然な上限があることが示唆される。

ABSTRACT

A brief overview of the methods commonly used to determine or estimate the black hole mass in quiescent or active galaxies is presented and it is argued that the use of mass-scaling relations is both a reliable and the preferred method to apply to large samples of distant quasars. The method uses spectroscopic measurements of a broad emission-line width and continuum luminosity and currently has a statistical 1 sigma uncertainty in the absolute mass values of about a factor of 4. Potentially, this accuracy can be improved in the future. When applied to large samples of distant quasars it is evident that the black hole masses are very large, of order 1 to 10 billion solar masses, even at the highest redshifts of 4 to 6. The black holes must build up their mass very fast in the early universe. Yet they do not grow much larger than that: a maximum mass of about 10 billion solar masses is also observed. Preliminary mass functions of active black holes are presented for several quasar samples, including the Sloan Digital Sky Survey. Finally, common concerns related to the application of the mass scaling relations, especially for high redshift quasars, are briefly discussed.

研究の動機と目的

• 大規模な遠方クェーサーのサンプルにおけるブラックホール質量推定に、質量スケーリング関係を推奨するための評価と提唱を行う。
• 高赤方偏移クェーサーにおける発光線の幅と輝度から得られる質量推定値の信頼性と不確実性を定量化する。
• 観測されたブラックホール質量が初期宇宙における成長とフィードバック機構に与える影響を調査する。
• 光離化モデルとリバーブレーションマッピングの比較を通じて、高赤方偏移クェーサーにおける質量の系統的過大評価の懸念に対処する。

提案手法

• 中心天体からの距離R_Lを連続スペクトルの輝度から推定するR–L関係を用いて、Virial定理に基づく関係式M_BH ∝ R_L × (ΔV)^2を適用する。
• R–L関係（R ∝ L^0.5）を用いて、連続スペクトルの輝度から広帯域線領域の距離を推定する。
• FWHM（半値全幅）を用いて、発光線（例：C IV, C III]）の速度分散ΔVの代理として用いる。
• 局所のM_BH–σ*関係を用いて質量スケールをキャリブレーションし、静止状態の局所ブラックホールを活動的システムのゼロポイントとして仮定する。
• リバーブレーションマッピングデータと光離化モデルの比較を通じて、系統的バイアスの有無を検証する。
• Sloan Digital Sky Surveyのデータを含む大規模クェーサーのサンプルにこの手法を適用し、初期のブラックホール質量関数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量スケーリング関係は、高赤方偏移クェーサーの大規模サンプルに対して信頼性があり正確なブラックホール質量推定を可能にするか？
• RQ2 単一エポック分光法によるFWHMと輝度から得られるブラックホール質量推定値の統計的不確実性はどの程度か？
• RQ3 高電離性アウトフローまたは非Virial的線幅拡張の影響により、高赤方偏移クェーサーのブラックホール質量が系統的に過大評価されている可能性はあるか？
• RQ4 観測されたブラックホール質量は、初期宇宙における成長 timescale と最大質量限界にどのような意味を持つのか？
• RQ5 遠方クェーサーの導出されたブラックホール質量関数は、局所のブラックホール質量関数および理論的モデルとどのように比較されるか？

主な発見

• 質量スケーリング関係を用いたブラックホール質量推定における統計的1σ不確実性は、おおよそ4倍であり、C IVに基づく関係では不確実性が低い。
• 赤方偏移z ≈ 4–6のクェーサーは、10億〜100億太陽質量のブラックホールを有しており、これは初期宇宙における極めて急速な成長を示している。
• 自然な上限として約10^10 M☉の質量が観測されており、これはブラックホールが最大質量に達し、成長を停止するか、あるいは不活性化することを示唆している。
• 高電離性アウトフローまたは非Virial的線幅拡張を考慮しても、ブラックホール質量の系統的過大評価の強い証拠はない。
• 光離化モデルの結果から、質量を10倍過大評価するとC III]発光は不可能になるが、その発光が顕著に観測されていることから、正しいまたは慎重な質量推定であると示唆される。
• 高赤方偏移クェーサーの観測された質量関数は、10^10 M☉のブラックホールが局所ではまれであることを示しており、初期の成長とその後の抑制と整合的である。