[論文レビュー] Current and future applications of Reverberation-mapped quasars in Cosmology

Swayamtrupta Panda, Mary Loli Martínez‐Aldama+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 130被引用数 35

ひとこと要約

本論文では、特に赤方偏移 z ≈ 0.9 における Mg II 線を用いた反響マップ付きクェーサーを提案し、宇宙論的距離測定のための半径-絶対等級関係（R-L 関係）をより高い赤方偏移にまで拡張する。修正された R-L 関係を提示し、超エディングン降着率の影響を補正することで、ΛCDM と 2σ の誤差内で宇宙論的パラメータ Ωm と ΩΛ を推定可能であり、LSST を用いた光度的反響マッピングのためのフレームワークを提示する。

ABSTRACT

Reverberation mapping technique is an important milestone in AGN demographics, kinematics and the structure of the Broad Line Region (BLR) based on the time-delay response between the continuum and emission line. The time delay is directly related to the size of BLR which is related to the continuum luminosity of the source, producing the well-known Radius-Luminosity (RL) relation. The majority of sources have been monitored for their H$\beta$ emission line in low redshift sources ($z<0.1$), while there are some attempts using the MgII line for higher redshifts. We present a recent MgII monitoring for the quasar CTS C30.10 ($z=0.90$) observed with the 10-meter SALT, for which RL scaling based on MgII holds within measurement and time-delay uncertainties. One of the most important advantages of reverberation mapping technique is the independent determination to the distant source, and considering the large range of redshifts and luminosities found in AGNs, their application to cosmology is promising. However, recently it has been found that highly accreting sources show the time delays shorter than expected from RL relation. We propose correction for this effect using a sample of 117 H$\beta$ reverberating-mapped AGNs with $0.02<z<0.9$, recovering the low scatter along with the relation. We are able to determine the cosmological constants, $\Omega_m$ and $\Omega_\Lambda$ within 2$\sigma$ confidence level. We present the first steps in modelling of light curves for H$\beta$ and MgII and discuss the quasar selection in the context of photometric reverberation mapping with Large Synoptic Survey Telescope (LSST). With the onset of the LSST era, we expect a huge rise in the overall quasar counts and redshift range covered ($z\lesssim 7.0$), which will provide a better constraint of AGN properties with cosmological purposes.

研究の動機と目的

• 中間赤方偏移のクェーサーにおける Mg II 発光線を用いて、低赤方偏移を超えたクェーサーの半径-絶対等級関係（R-L 関係）を拡張すること。
• 超エディングン降着率が引き起こす時間遅れ測定における系統的バイアスを補正すること。
• 反響マップ付きクェーサーを用いた宇宙論的パラメータ推定の可能性を評価すること。
• 将来の LSST における光度的反響マッピングのためのフィルタリングアルゴリズムと合成光曲線モデリングを開発すること。
• LSST 時代に備えて、クェーサー光曲線をシミュレートし、時間遅れ測定に最適なクェーサー選別を最適化すること。

提案手法

• 南アフリカ大型望遠鏡（SALT）を用いて、中赤方偏移クェーサー CTS C30.10（z = 0.90）を6年間モニタリングし、Mg II 線の応答時間遅れを測定した。
• Hβ および Mg II 両方の源を含む117個の反響マップ付き AGN を統合し、一般化されたべき乗法則 R-L 関係をフィットした：log(RBLR/1 lt-day) = K + α log(λLλ/1044 erg s⁻¹)。
• 超エディングン降着率の補正を適用することで、R-L 関係の散らばりを低減し、理論的期待値と整合する低散らばりを回復した。
• 補正された R-L 関係を用いて、等級距離を推定し、宇宙論的パラメータ Ωm と ΩΛ を制約した。
• クェーサーの性質（絶対等級、赤方偏移、ブラックホール質量、EW）と LSST の機器応答（フィルタバンド、スケジューリング、フィルタ交換時間）を組み込んだ合成光曲線生成器を開発した。
• 発光線強度、バンドの重複、線幅に基づくフィルタリングアルゴリズムを提案し、光度的反響マッピングに最適なクェーサーを特定することを目的とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のデータを用いて、Mg II を用いた R-L 関係を z ≈ 0.9 まで信頼性高く拡張できるか？
• RQ2 超エディングン降着率は時間遅れ測定および R-L 関係の散らばりにどのように影響を与えるか？
• RQ3 反響マッピングを用いて、宇宙論的パラメータを 2% の不確実性で制約するにはどの程度のサンプルサイズが必要か？
• RQ4 LSST の広視野・多バンド調査に最適化された光度的反響マッピングはどのように実現できるか？
• RQ5 LSST の光度測定において、高精度な時間遅れ測定が可能なクェーサーを特定するための主要な選別基準は何か？

主な発見

• CTS C30.10 における Mg II 時間遅れは、源フレームで τMgII = 551+49−82 日と測定され、z ≈ 0.90 における R-L 関係の妥当性が確認された。
• 117 個の AGN を統合した R-L 関係の最良適合パラメータは K = 1.47 ± 0.06 および α = 0.59 ± 0.06 であり、不確実性内では Hβ を用いた関係（α ≈ 0.533）と整合的であった。
• 超エディングン降着率の補正により、R-L 関係の散らばりが著しく低減され、より信頼性の高い距離推定が可能になった。
• 時間遅れ測定の不確実性が 5% の場合、約 625 個のクェーサーが必要であり、宇宙論的パラメータを 2% の不確実性で制約できる。
• LSST 巡天により、反響マップ付きクェーサーの数は約 5 次元（10万倍）増加すると予想され、大規模な宇宙論的研究が可能になる。
• 提案されたフィルタリングアルゴリズムと合成光曲線モデリングは、最適なクェーサーの選別と LSST における光度的反響マッピングの準備の基盤を提供する。