[論文レビュー] The growth and evolution of super massive black holes

S. S. Murray, R. Gilli+20 more|ArXiv.org|Mar 30, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、広視野・高感度・大グレープを備えた広域で深いX線サーベイを実施するための広視野X線望遠鏡（WFXT）の提案を行う。これにより、宇宙の歴史にわたる超大質量ブラックホールの成長と進化の統計的解析が可能になる。WFXTは、コンプトン厚いおよび高赤方偏移源を含む数千のAGNを検出可能であり、変動モニタリングも可能となる。これにより、ブラックホール形成、フィードバック、および稼働サイクルに関する重要な疑問が解消される。

ABSTRACT

We discuss the central role played by X-ray studies to reconstruct the past history of formation and evolution of supermassive Black Holes (BHs), and the role they played in shaping the properties of their host galaxies. We shortly review the progress in this field contributed by the current X-ray and multiwavelength surveys. Then, we focus on the outstanding scientific questions that have been opened by observations carried out in the last years and that represent the legacy of Chandra and XMM, as for X-ray observations, and the legacy of the SDSS, as for wide area surveys: 1) When and how did the first supermassive black holes form? 2) How does cosmic environment regulate nuclear activity (and star formation) across cosmic time? 3) What is the history of nuclear activity in a galaxy lifetime? We show that the most efficient observational strategy to address these questions is to carry out a large-area X-ray survey, reaching a sensitivity comparable to that of deep Chandra and XMM pointings, but extending over several thousands of square degrees. Such a survey can only be carried out with a Wide-Field X-ray Telescope (WFXT) with a high survey speed, due to the combination of large field of view and large effective area, i.e., grasp, and sharp PSF. We emphasize the important synergies that WFXT will have with a number of future groundbased and space telescopes, covering from the radio to the X-ray bands and discuss the immense legacy value that such a mission will have for extragalactic astronomy at large.

研究の動機と目的

• 特に初期宇宙にあたる時代における超大質量ブラックホール（SMBH）形成と成長の未解決な宇宙史的歴史に取り組む。
• 現在のサーベイの限界を克服し、深さの感度と広域の空域カバーを両立させることで、遮蔽されたおよび高赤方偏移源を含む全AGN集団をサンプリングする。
• 銀河環境および合体が核活動を誘発し、星形成を規制する役割を調査する。
• AGN活動の稼働サイクル、特に遮蔽された状態と露出状態の間の遷移を特徴づける。
• X線変動の統計的解析を可能にし、宇宙の歴史にわたるブラックホール質量および降着率を推定する。

提案手法

• 広視野X線サーベイを提案する。そのために、広い有効面積（グレープ）、広い視野角、鋭いポイント spread 関数（PSF）を備えた望遠鏡を用い、数千平方度にわたる広域にわたり深さの感度を実現する。
• 繰り返し観測を活用し、AGNにおけるX線変動をモニタリング可能とし、数時間から数年にわたる時間スケールで約20％の輝度変化に感度をもたせる。
• 約6.4 keVの鉄Kα線（z≥1で約3 keVにシフト）を分光的診断として用い、コンプトン厚いAGNの同定と、光学データに依存せずに赤方偏移を測定する。
• X線データと多波長フォローアップ（光学、赤外、電波）を組み合わせ、AGNタイプの分類、遮蔽状態の特定、およびホスト銀河の性質の研究を実施する。
• 将来の光学サーベイ（例：LSST、Pan-STARRS）との連携を活用し、X線変動と光学的瞬時現象（transients）および時間領域現象をクロスマッチする。
• 予想される源密度と赤方偏移分布をモデル化し、既存および計画中のミッション（例：NuSTAR、Simbol-X、EXIST）と比較して、WFXTの統計的優位性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の超大質量ブラックホールは、ビッグバン後約10億年以内にどのようにして形成され、急速に成長したのであろうか？
• RQ2 特に銀河合体や相互作用を含む宇宙環境は、宇宙の歴史にわたって核活動と星形成をどのように規制しているのであろうか？
• RQ3 銀河の生涯にわたる核活動の全歴史、特に遮蔽された状態と露出状態の相対的段階を含めた稼働サイクルはどのようなものであろうか？
• RQ4 AGNのX線変動は、ブラックホール質量および降着率とどの程度関連しているのか？高赤方偏移においては、これにより物理的性質を推定可能であろうか？
• RQ5 z≥1におけるコンプトン厚いAGNの真の集団はどの程度であり、宇宙X線背景にどの程度貢献しているのであろうか？

主な発見

• WFXTは、100 deg²のサーベイで、20％の輝度変動検出に必要な感度に達するまでに約10^5のAGNを検出可能であり、これにより堅牢な統計的解析が可能になる。
• このミッションは、これまでアクセス不可能だったz≥1における本物のコンプトン厚いAGNの統計的有意なサンプルを提供し、SMBH成長の遮蔽された段階に関する直接的な知見をもたらす。
• WFXTは、十分な光子統計を持つ約10^5のAGNを検出可能であり、局所のAGNで観測されたスケーリング関係を用いてブラックホール質量および降着率を推定可能となる。
• サーベイは、潮汐破壊イベントに起因する一時的X線増光を同定可能であり、予想される検出レートは1年あたり1銀河あたり約10^-5であり、銀河中心部の星の運動を研究可能となる。
• 既存および計画中のミッション（例：NuSTAR、EXIST、Simbol-X）と比較して、WFXTは大グレープと広視野角の独自の組み合わせを有しており、高赤方偏移および遮蔽されたAGNの源統計において、桁違いの向上を実現する。
• このミッションは、観測された宇宙X線背景と既知のAGN集団との不一致を解消する。高赤方偏移で強く遮蔽されたAGNの欠落集団を検出可能となる。