[論文レビュー] Strong correlation between FeII/MgII ratio and Eddington ratio of type 1 Active galactic nuclei

Jaejin Shin, Jong-Hak Woo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 108被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、z < 2 のタイプ1活動銀河核（AGN）におけるFe II/Mg IIフラックス比を、ハッブル宇宙望遠鏡およびSDSSのUVスペクトルを用いて調査し、エディングトン比との強い正の相関を明らかにした。これは、BLRの金属量が黒鉛星質量や放射度ではなく、降着活動と物理的に関連していることを示している。結果は、金属冷却がガスの内向き流入を促進し、AGNにおける高降着率を駆動している可能性を示唆している。

ABSTRACT

The FeII/MgII line flux ratio has been used as an indicator of the Fe/Mg abundance ratio in the broad line region (BLR) of active galactic nuclei (AGNs). On the basis of archival rest-frame UV spectra obtained via the Hubble Space Telescope and the Sloan Digital Sky Survey, we investigate the FeII/MgII ratios of type 1 AGNs at z < 2. Over wide dynamic ranges of AGN properties (i.e., black hole mass, AGN luminosity, and Eddington ratio), we confirm that the FeII/MgII ratio strongly correlates with Eddington ratio but not with black hole mass, AGN luminosity, or redshift. Our results suggest that the metallicity in the BLR are physically related to the accretion activity of AGNs, but not to the global properties of galaxies (i.e., galaxy mass and luminosity). With regard to the relation between the BLR metallicity and the accretion rate of AGNs, we discuss that metal cooling may play an important role in enhancing the gas inflow into the central region of host galaxies, resulting in the high accretion rate of AGNs.

研究の動機と目的

• ブラックホール質量、放射度、エディングトン比の広いダイナミックレンジにわたるAGN特性に応じたFe II/Mg IIフラックス比の依存性を調査すること。
• より大きな、多様なサンプルを用いることで、先行研究におけるFe II/Mg II比とAGN放射度・ブラックホール質量との相関に関する矛盾を解消すること。
• Fe II/Mg II比が宇宙の進化に起因するのか、それとも広帯域線領域（BLR）における降着物理学に起因するのかを検討すること。
• BLR金属量と降着率を結びつける物理的メカニズムを、特に金属冷却とガス内向き流入の観点から探求すること。

提案手法

• z < 0.4 の29個のタイプ1AGNおよび 0.46 < z < 2.02 の122個のSDSSクェーサーについて、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）およびスローンデジタルスカイサーベイ（SDSS）のrest-frame UVスペクトルを収集した。
• S/N > 3、Mg II について ANR > 5、Fe II について ANR > 3、および吸収ラインやタイプ2 AGNの混入がない条件を満たす高品質スペクトルを選別した。
• 2600–3050 Å のrest-frame波長範囲でFe IIおよびMg IIのフラックスを測定し、Fe IIの分解には複数のコンポーネントによるフィッティングを用いて、Mg IIおよび連続スペクトル成分との混合を補正した。
• 単一エポックのバーティカル質量推定値から得られる全放射度およびブラックホール質量を用いて、エディングトン比を計算した。
• スピアマンの順位相関を用いた統計的分析により、Fe II/Mg IIが赤方偏移、エディングトン比、ブラックホール質量、放射度に与える依存性を評価した。
• CLOUDY写真イオン化モデリングを用いて、観測された相関の物理的意味を解釈し、特に金属冷却およびガス内向き流入に関連するものとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ1AGNにおけるFe II/Mg IIフラックス比は、AGN特性の広いダイナミックレンジにわたってエディングトン比と相関を示すか？
• RQ2 以前の報告とは異なり、Fe II/Mg II比が赤方偏移およびAGN放射度に依存しない、あるいはより広いサンプルを用いることで隠れた依存性が現れるのか？
• RQ3 BLR金属量と降着率を結びつける物理的メカニズムは何か？金属冷却はガス内向き流入および降着活動にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜ先行研究ではFe II/Mg IIとブラックホール質量や放射度との相関に矛盾が生じたのか？これはサンプル選択バイアスに起因するのか？

主な発見

• z ∼ 2 までで赤方偏移に顕著な依存性は認められず、この赤方偏移範囲におけるBLR金属量に宇宙進化の影響がないことを確認した。
• 約6デシベルのダイナミックレンジにわたって、Fe II/Mg IIとAGN放射度との間に弱い正の相関が確認され、N V/C IVなどのBLR金属量指標と整合的である。
• Fe II/Mg IIとブラックホール質量との間に顕著な相関は認められず、以前に報告された逆相関は、放射度範囲が限られたサンプルに起因するサンプル選択バイアスによるものであると判明した。
• Fe II/Mg IIとエディングトン比との間に強い正の相関が確認され、BLR金属量が物理的に降着活動と関連していることを示した。
• この相関は、Fe/Mg比の高い金属冷却が中心部へのガス内向き流入を強化し、AGNにおける高降着率を促進している可能性を示唆している。
• 先行研究（例：Sameshima et al. 2017）におけるCLOUDYモデリングの不一致は、不正確なFe II原子モデルや代表的でないパrameter空間に起因する可能性があり、ガス密度とエディングトン比との予測された逆相関に疑問を呈するものである。