[論文レビュー] Evolution of supermassive black holes

Andreas Mueller, G. Hasinger|ArXiv.org|Aug 7, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 31被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、XMM-Newton COSMOSおよびチャンドラ・ディープフィールド・サウスを含む深宇宙X線サーベイを用いて、宇宙X線背景スペクトルを説明するコンプトン薄およびコンプトン厚い活動銀河核（AGN）の合成モデルを提案する。主な結果として、従来は大規模に検出されていなかったコンプトン厚いAGNが、特に30 keV付近で観測されたX線背景を再現する上で中心的な役割を果たしており、これにより観測されたブラックホール質量関数と局所のリリックなSMBHとの整合性が回復される。その結果、高輝度AGNが低輝度AGNよりも早く形成される反ハイアラルティックな成長パターンが明らかになった。

ABSTRACT

The cosmological evolution of supermassive black holes (SMBHs) seems to be intimately linked to their host galaxies. Active galactic nuclei (AGN) can be probed by deep X-ray surveys. We review results from large X-ray selected samples including first results from the XMM-Newton COSMOS survey. A new picture arises from the fact that high-luminosity AGN grow earlier than low-luminosity AGN. In particular, the space density of low-luminosity AGN exhibits a significant decline for redshifts above z=1. This 'anti--hierarchical' growth scenario of SMBHs can be explained by two modes of accretion with different efficiency. The population of Compton-thick sources plays a key role in our understanding of the BH growth history. Their space density and redshift distribution is relevant to estimate the SMBH mass function. A comparison with the relic SMBH mass distribution in the local Universe constrains the average radiative efficiency and Eddington ratio of the accretion. We discuss a new synthesis model of Compton-thin and Compton-thick sources that is in concordance with deep X-ray observations and in particular predicts the right level of contribution of the Compton-thick source population observed in the Chandra Deep Field South observations as well as the first INTEGRAL and Swift catalogues of AGN. Currently, one of the most important problems is the evolution of obscuration with redshift.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙X線背景（CXB）スペクトルと既知のAGN集団の寄与との間にある不一致を解消すること。
• 標準モデルが不足する30 keV付近において、コンプトン厚いAGNがX線背景に果たす役割を特定すること。
• CXBからの推定された吸収ブラックホール質量関数（BHMF）と、局所宇宙における不活性SMBHの観測分布との整合性を図ること。
• AGNの輝度依存的進化をモデリングすること、特に高輝度AGNが低輝度AGNよりも早く形成される反ハイアラルティックな成長パターンを捉えること。
• 特に高赤方偏移および低輝度領域において、光学的（幅広い線対比 vs. 狭い線）およびX線的（吸収）診断法を統合することでAGN分類を改善すること。

提案手法

• XMM-Newton COSMOSおよびチャンドラ・ディープフィールド・サウス（CDF-S）を含む深宇宙X線サーベイを用い、赤方偏移の完全度が80%を超える高赤方偏移・高完全度のAGNサンプルを取得する。
• 赤方偏移1 < z < 2の領域における「分光的砂漠」を克服するため、光度赤方偏移（photo-z）技術を適用する。この領域では光学分光法がIバンドの明るさが弱いため機能しない。
• 3集団AGN合成モデルを採用：コンプトン薄で吸収のないAGN、吸収のあるコンプトン薄AGN、およびコンプトン厚いAGN。それぞれ異なる吸収深さ（log NH）とスペクトル指数を有する。
• 平均値の周囲にガウス分布の散乱（⟨Γ⟩ = 1.9）を導入し、固有のスペクトル変動をモデル化することで、背景スペクトルの適合性を向上させる。
• モデル予測を観測されたX線背景スペクトルおよびAGNカタログ（Swift BAT、INTEGRAL、CDF-S）と比較し、モデルが観測された源数密度とスペクトル特徴を再現できる能力を検証する。
• 局所のリリックなSMBH質量関数からの制約を活用し、吸収過程における平均放射効率およびEddington比を推定する。SMBHスピンがエネルギー収支に寄与すると仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ宇宙X線背景スペクトルは、コンプトン薄いAGNだけでは説明できない20–30 keV付近のピーク（ボウンド）を示すのか？
• RQ2 コンプトン厚いAGNは全X線背景にどの程度寄与しているのか？また、その赤方偏移分布は推定されたブラックホール質量関数にどのように影響を与えるか？
• RQ3 観測された反ハイアラルティックなSMBH成長（高輝度AGNが低輝度AGNよりも早く形成される）は、吸収物理からどのように生じるのか？
• RQ4 z > 1における低輝度AGNの観測空間密度は、局所のリリックなSMBH質量関数と整合することができるか？これにより、吸収効率およびブラックホールスピンに関する何が示唆されるか？
• RQ5 高赤方偏移領域において、X線と光学のAGN分類スキームはどの程度一致するのか？また、ホスト銀河の混入は光学分類にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 20–30 keV付近で観測されたX線背景スペクトルのピークを再現するには、コンプトン厚いAGN集団（log NH > 24）の導入が不可欠である。
• モデルはSwift BAT、INTEGRAL、CDF-Sカタログからの観測と整合するコンプトン厚いAGNの割合を予測し、その予測能力を裏付けた。
• z > 1における低輝度AGNの空間密度は顕著に低下しており、高輝度クェーサーが低輝度Seyfert様AGNよりも早く形成される反ハイアラルティックな成長を示している。
• X線背景からの推定された吸収ブラックホール質量関数が、SMBHスピンを含めた場合にのみ局所のリリックなSMBH質量関数と一致することから、回転するブラックホールがエネルギー出力に顕著に寄与していることが示唆された。
• 輝度が高くなるに従い、タイプ2対タイプ1AGNの割合は減少し、これは明るいAGNがフィードバックによって周囲を浄化し、遮蔽を減少させることを示唆している。
• モデルは、コンプトン薄いAGNが全X線背景に大部分を占めるが、30 keV付近のスペクトルバランスを成立させるにはコンプトン厚いAGNが主導的役割を果たしていることを示している。