[論文レビュー] Taking a Long Look: A Two-Decade Reverberation Mapping Study of High-Luminosity Quasars

S. Kaspi, W. N. Brandt+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高輝度クェเซアの20年間にわたるリバーブバレーションマッピング計画を報告する。3つの対象でUV連続スペクトルとC IV発光線の遅れを測定し、1つの対象でC III]を測定した。BLRサイズがUV輝度の平方根に比例することは、8桁の動的範囲にわたり確認され、顕著な固有分散を示し、ブラックホール質量が同様に比例する可能性が示唆され、最も高輝度のAGNにまでヴィラル質量関係が拡張されることを示している。

ABSTRACT

Reverberation mapping (RM) of active galactic nuclei (AGNs) has been used over the past three decades to determine AGN broad-line region (BLR) sizes and central black-hole masses, and their relations with the AGN's luminosity. Until recently the sample of objects with RM data was limited to low-luminosity AGNs ($L_{ m opt} \lesssim 10^{46}$ ergs s$^{-1}$) and low redshifts ($z \lesssim 0.5$). Here we present results from a reverberation-mapping project of some of the most luminous and highest redshift quasars that have been mapped to date. The study is based on almost twenty years of photometric monitoring of 11 quasars, six of which were monitored spectrophotometrically for 13 years. This is the longest reverberation-mapping project carried out so far on this type of AGNs. We successfully measure a time lag between the CIV$λ$1549 broad emission line and the quasar continuum in three objects, and measure a CIII$λ$1909 lag in one quasar. Together with recently published data on CIV reverberation mapping, the BLR size is found to scale as the square root of the UV luminosity over eight orders of magnitude in AGN luminosity. There is a significant scatter in the relation, part of which may be intrinsic to the AGNs. Although the CIV line is probably less well suited than Balmer lines for determination of the mass of the black hole, virial masses are tentatively computed and in spite of a large scatter we find that the mass of the black hole scales as the square root of the UV luminosity.

研究の動機と目的

• 最も高輝度で高赤方偏移のクェーサーにまでリバーブバレーションマッピングを拡張し、BLRサイズと変動 timescale が大きい状況を対象とする。
• 低輝度AGNで確立されたBLRサイズ–輝度関係が極端に高い輝度（L_opt ≳ 10^46 erg s⁻¹）および高赤方偏移（z ≳ 0.5）でも成り立つかを検証する。
• 長期間にわたる光度および分光的モニタリングを用いて、高輝度クェーサーにおける連続スペクトルと幅広い発光線（C IV, C III]）の間の遅れを測定する。
• C IV線が質量測定に潜在する制限を考慮しても、高輝度クェーサーにおけるヴィラル質量推定の信頼性を評価する。

提案手法

• 1997年から2016年までに、Wise観測所で11個の高輝度クェーサーをBバンドおよびRバンドでほぼ20年間にわたる光度モニタリングを実施した。
• 6個のクェーサーに対して13年間の分光的モニタリングを実施し、C IV λ1549発光線と連続スペクトルの間の遅れを測定した。
• クロス相関技術（ICCFおよびZDCF）を用いて、連続スペクトル（BバンドおよびRバンド）と発光線光度曲線の間の遅れを推定した。
• モデルに依存しないクロス相関およびモデルに依存する手法（例：JAVELIN, SPEAR）を用い、遅延を推定した。有意性と不確実性を慎重に評価した。
• 光度曲線と分光的曲線を統合し、6個のクェーサーについてRバンドデータと分光的連続スペクトル曲線を統合した。
• 非可変星をUSNO-A2.0カタログから選定し、マグニチュードを補正し、夜間平均化によりノイズを低減した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低輝度AGNから導かれたBLRサイズ–輝度関係が、最も高輝度のクェーサー（L_opt ≳ 10^46 erg s⁻¹）にまで拡張可能か？
• RQ2 長期間にわたるスケールと疎なサンプリングを考慮しても、高輝度・高赤方偏移クェーサーにおけるUV連続スペクトルとC IV発光線の遅れを信頼性を持って測定可能か？
• RQ3 極端な輝度におけるBLRサイズ–輝度関係の分散はどの程度で、そのうちどれくらいがAGN固有の要因に起因するか？
• RQ4 Balmer線と比較して既知の制限を有するC IV線を用いても、高輝度クェーサーにおけるヴィラルブラックホール質量を意味的に推定可能か？
• RQ5 高輝度クェーサーにおける青帯および赤帯連続スペクトルの遅れはどのように比較されるか？また、それらは再放射モデルの予測と一致するか？

主な発見

• 3つの高輝度クェーサー（SBS 1116+603, SBS 1425+606, S5 2017+744）は、C IV λ1549発光線とUV連続スペクトルの間に統計的に有意な遅れを示し、観測フレームでそれぞれ-145⁺⁸⁵₋₆⁵、-264⁺³⁹₋₁₄₆、-87⁺⁶²₋₅⁸日であった。
• 1つのクェーサー（S5 0014+81）は、C III] λ1909発光線と連続スペクトルの間に有意な遅れ-114⁺⁸⁹₋₂⁶日を示した。
• 輝度の動的範囲が8桁にわたる範囲で、BLRサイズはUV輝度の平方根に比例（R_BLR ∝ L^0.5）するが、これは標準的関係と整合的である。
• R_BLR–L関係の分散は顕著であり、BLR構造やイオン化状態のクェーサー間の違いが原因で、大きな固有成分を示している可能性がある。
• C IV線から導かれたヴィラルブラックホール質量は、輝度に比例（M_BH ∝ L^0.5）する関係を示したが、大きな分散を伴うため、高輝度AGNではC IV線を用いた質量推定には注意が必要である。
• いくつかの対象（例：SBS 1425+606, S5 2017+744）でRバンド光度曲線がBバンド光度曲線より遅れており、赤帯連続スペクトルが青帯より遅れるという再放射モデルの予測と一致している。