[論文レビュー] Pan-STARRS1 variability of XMM-COSMOS AGN. II. Physical correlations and power spectrum analysis

T. Simm, M. Salvato+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 127被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、Pan-STARRS1の光度曲線を用いて、約90個のXMM-COSMOS AGNのrest-frame UV/光学変動を分析し、変動の物理的駆動要因を調査した。変動の振幅は、全波長帯でボリオメトリック光度およびEddington比と強く反比例しており、傾きは約−1であり、ブラックホール質量や赤方偏移との有意な依存性は認められない。これは、降着率が根本的な駆動要因であることを示唆している。光学PSDは、100–300日程度の折り返し時定数を持つ破れたべき乗則で最もよく記述され、高周波数領域の傾きは−2から−4の間であり、減衰ランダムウォークモデルとは乖離している。

ABSTRACT

[Abbreviated] We search for scaling relations between the fundamental AGN parameters and rest-frame UV/optical variability properties for a sample of $\sim$90 X-ray selected AGNs covering a wide redshift range from the XMM-COSMOS survey, with optical light curves in four bands provided by the Pan-STARRS1 (PS1) Medium Deep Field 04 survey. To estimate the variability amplitude we utilize the normalized excess variance ($σ_{\mathrm{rms}}^{2}$) and probe variability on rest-frame timescales of several months and years by calculating $σ_{\mathrm{rms}}^{2}$ from different parts of our light curves. In addition, we derive the rest-frame optical PSD for our sources using continuous-time autoregressive moving average (CARMA) models. We observe that the excess variance and the PSD amplitude are strongly anti-correlated with wavelength, bolometric luminosity and Eddington ratio. There is no evidence for a dependency of the variability amplitude on black hole mass and redshift. These results suggest that the accretion rate is the fundamental physical quantity determining the rest-frame UV/optical variability amplitude of quasars on timescales of months and years. The optical PSD of all of our sources is consistent with a broken power law showing a characteristic bend at rest-frame timescales ranging between $\sim$100 and $\sim$300 days. The break timescale exhibits no significant correlation with any of the fundamental AGN parameters. The low frequency slope of the PSD is consistent with a value of $-1$ for most of our objects, whereas the high frequency slope is characterized by a broad distribution of values between $\sim-2$ and $\sim-4$. These findings unveil significant deviations from the simple "damped random walk" model, frequently used in previous optical variability studies. We find a weak tendency for AGNs with higher black hole mass having steeper high frequency PSD slopes.

研究の動機と目的

• UV/光学変動の物理的駆動要因、特に降着率の役割を理解すること。
• 先行研究における光度、ブラックホール質量、赤方偏移との相関に関する矛盾を解消すること。
• 明確に定義されたAGNサンプルにおける光学パワー・スペクトル密度（PSD）の形状とスケーリングを特徴づけること。
• 減衰ランダムウォーク（DRW）モデルがAGNの光学変動を説明するのに有効であるかどうかを検証すること。
• 変動振幅がrest-frame時定数および波長に依存するかどうかを評価すること。

提案手法

• 約90個のX線選択AGNの、Pan-STARRS1 Medium Deep Field 04調査の4バンド（gP1, rP1, iP1, zP1）の光度曲線を用いた。
• rest-frame時定数（数か月から数年）での変動振幅を定量化するため、正規化された超過分散（σ²_rms）を計算した。
• 連続時間自己回帰移動平均（CARMA）モデルを用いて、rest-frame光学パワー・スペクトル密度（PSD）を再構築した。
• 赤方偏移、ブラックホール質量、ボリオメトリック光度、Eddington比といったAGNの物理的パラメータとの間で相関分析を実施した。
• PSDを破れたべき乗則としてモデル化し、折り返し時定数、低周波数領域の傾き、高周波数領域の傾きを抽出した。
• 波長依存の変動および光度反比例関係を考慮することで、赤方偏移に伴う相関の進化を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNのrest-frame UV/光学変動振幅は、ボリオメトリック光度およびEddington比とどのように相関するか？
• RQ2 rest-frame光学バンドでの変動振幅は、ブラックホール質量や赤方偏移に有意に依存するか？
• RQ3 AGNの光学パワー・スペクトル密度（PSD）の本質的形状は何か？ また、減衰ランダムウォーク（DRW）モデルと比較するとどうなるか？
• RQ4 光学PSDの折り返し時定数は、ブラックホール質量や光度といった基本的AGNパラメータと相関するか？
• RQ5 光学PSDの高周波数領域および低周波数領域の傾きは、理論的期待値や先行モデルと整合的か？

主な発見

• 超過分散（σ²_rms）は、全PS1バンドおよび月時定数・年時定数変動の両方において、ボリオメトリック光度と強く反比例しており、対数スケールでの傾きは約−1である。
• 超過分散はEddington比とも強く反比例しており、対数スケールでの傾きは−1であり、これは高い降着率が強い光学変動を引き起こすことを示している。
• 変動振幅とブラックホール質量や赤方偏移との間に有意な相関は認められず、これはそれらが数か月から数年の時定数における光学変動の主な駆動要因でないことを示唆している。
• 全源の光学PSDは、破れたべき乗則と整合的であり、折り返し時定数は約100〜約300日程度であり、ブラックホール質量、光度、Eddington比、波長に依存しない。
• PSDの低周波数領域の傾きは−1と一致しており、X線PSDと同様であるが、高周波数領域の傾きは−2から−4の広い分布を示しており、減衰ランダムウォークモデルからの著しい乖離を示している。
• ブラックホール質量が大きいほど高周波数領域のPSD傾きが急になる弱いトレンドが観測され、短時定数変動機構に質量依存性が存在する可能性を示唆している。