[論文レビュー] Quasar Structure Emerges from the Three Forms of Radiation Pressure

M. Elvis|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、クェーサーの普遍的スペクトル的特徴—広帯域および狭帯域の発光・吸収ライン、Fe-K発光—が、事前に存在するディスクガスに対して作用する3種類の放射圧力（電子散乱、ライン駆動、ダスト駆動）に起因すると提案する。モデルは、ロバストでパラメータに依存しない放射駆動風が、場所に応じて成功または失敗することで、すべての観測特徴を説明するトレイアス型の構造を形成し、宇宙の歴史にわたるクェーサーのスペクトルの一貫性と多様なパラメータにおける不変性を説明する。

ABSTRACT

All quasar spectra show the same atomic features in the optical, UV, near-IR and soft X-rays over all of cosmic time, luminosity black hole mass and accretion rate. This is a puzzle. Here I show that it is possible that all of these atomic features can be accounted for by gas from an accretion disk driven by the three forms of radiation pressure: electron scattering, line driving and dust driving. The locations where they successfully drive an escaping wind, and those where they produce only a failed wind are both needed to produce the observed features.

研究の動機と目的

• 130億年の宇宙史にわたる、6桁の輝度差、多様なブラックホール質量および降着率の下でも、クェーサーのスペクトルが驚くほど一定であるという長年の謎を解明すること。
• すべての観測されたクェーサーのスペクトル的特徴—広帯域および狭帯域の発光・吸収ライン、Fe-K発光—を、一つの統一的物理枠組み内で説明すること。
• 以前は現象論的に提案されたトレイアス型風の幾何学的構造が、3つの異なる放射圧力メカニズムの発生と失敗に基づいて物理的に裏付けられることを示すこと。
• これらの放射力のロバストさが、クェーサー構造が輝度、ブラックホール質量、宇宙的時間の変化に対して不変であることを示し、スペクトルの一貫性を説明すること。

提案手法

• QWINDコードを用いて放射駆動風をモデル化し、電子散乱、ライン駆動、ダスト駆動による放射からガスへの運動量伝達をシミュレートする。
• ブラックホールおよびディスクからの相対的位置に応じて、各放射圧力メカニズムが風を発射できるか（成功）あるいは失敗するか（失敗風）の条件を分析する。
• ブラックホール質量、輝度、Eddington比を変化させたパラメータ空間をマッピングし、風形成の成功閾値を特定する。
• 観測されたスペクトル的特徴（例：BELs, NALs, WAs, BALs, Fe-Kライン）を、トレイアス風内の特定の領域と関連付ける：BELsは冷却され回転する風の段階から発生；NALsおよびWAsはほぼ垂直で薄い、流れ出る層から発生；BALsは高光学的厚さ領域を径方向に見ることで観測。
• 偏光および高分解能分光法のデータを用いて、トレイアス風モデルの予測（風の幾何学的構造、速度構造、イオン化状態）をテストする。
• 事前に存在するディスクガスが風物質の源である役割を果たすことを評価し、磁気再結合またはMHD風による発射が、放射駆動とは独立して起こり得ることを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子散乱、ライン駆動、ダスト駆動の3つの放射圧力が、全赤方偏移および全輝度範囲における観測されたクェーサーのスペクトル的特徴を説明できるか？
• RQ2 ブラックホール質量、輝度、降着率に大きな差があるにもかかわらず、なぜクェーサーはこれほどスペクトルが一定なのであるか？
• RQ3 放射圧力が成功する場所（風が脱出）と失敗する場所（失敗風）の配置が、観測されたBELs、NALs、WAs、BALsの分布をどのように生じさせるのか？
• RQ4 トレイアス風の観測された幾何学的構造（径方向の厚さ、傾斜、運動的構造）を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 BELsの観測的性質、特にスケール高さと回転支配性は、放射駆動風の力学と事前に存在するディスクガスによって説明可能か？

主な発見

• 電子散乱、ライン駆動、ダスト駆動の3つの放射圧力は、BELs、NELs、NALs、WAs、BALs、Fe-K発光ラインを含む、すべての観測されたクェーサーのスペクトル的特徴を包括的に説明できる。
• トレイアス風の幾何学的構造は、吸収特徴の観測された方位依存性を自然に説明する：NALsおよびWAsはディスクに垂直な方向（流れに対して）に観測され、BALsは径方向の流れ方向に観測される。
• モデルは、WAsおよびNALsが類似した脱出速度、イオン化状態、および密度を持つと予測するが、これはX線およびUV分光法によって確認されている。
• モデルは、NALsの観測された二重対称構造（中空で物質で閉じた流れ）を、ハッブルSTISの長スリット観測と整合するように説明する。
• モデルは、BELsが冷却され回転する風の段階で形成され、スケール高さが大きく回転支配的であることを説明するが、これは偏光データによって支持されている。
• モデルは、BAL領域がすべてのクェーサーに存在し、回転していると予測する。これは、非BALクェーサーにおける偏光観測で示された回転ガスと整合する。また、Fe-KラインはBAL領域での散乱に起因すると説明する。