[論文レビュー] The Hot and Energetic Universe: The formation and growth of the earliest supermassive black holes

James Aird, A. Comastri+19 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、アテナ＋X線望遠鏡が、赤方偏移z > 6における低光度で遮蔽された活動銀河核（AGN）を検出するための深さと広域性に優れたX線サーベイを実施することで、初期宇宙における超大質量ブラックホール（SMBH）降着の最初の定量的測定を可能にすると提案している。ワイドフィールドイメージャーとインテグラルフィールドユニットを用いて、アテナ＋はz > 6のAGNを400個以上同定し、強力な鉄K-アルファ線を介して高遮蔽状態の源を特定することで、SMBH形成および初期成長に関する主要な不確実性を解消する。

ABSTRACT

A crucial challenge in astrophysics over the coming decades will be to understand the origins of supermassive black holes (SMBHs) that lie at the centres of most, if not all, galaxies. The processes responsible for the initial formation of these SMBHs and their early growth via accretion - when they are seen as Active Galactic Nuclei (AGN) - remain unknown. To address this challenge, we must identify low luminosity and obscured z>6 AGNs, which represent the bulk of early SMBH growth. Sensitive X-ray observations are a unique signpost of accretion activity, uncontaminated by star formation processes, which prevent reliable AGN identification at other wavelengths (e.g. optical, infrared). The Athena+ Wide Field Imager will enable X-ray surveys to be carried out two orders of magnitude faster than with Chandra or XMM-Newton, opening a new discovery space and identifying over 400 z>6 AGN, including obscured sources. Athena+ will also play a fundamental role to enhance the scientific return of future multiwavelength facilities that will probe the physical conditions within the host galaxies of early SMBHs, which is vital for understanding how SMBHs form, what fuels their subsequent growth, and to assess their impact on the early Universe. Follow-up of samples of z>6 galaxies with the Athena+ X-ray Integral Field Unit could also reveal the presence of highly obscured AGNs, thanks to the detection of strong iron lines. Thus, Athena+ will enable the first quantitative measurements of the extent and distribution of SMBH accretion in the early Universe.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における超大質量ブラックホール（SMBH）の形成および成長の未解決の謎を解明すること。
• SMBHの初期成長段階を理解する上で鍵をなす、赤方偏移z > 6における低光度で遮蔽された活動銀河核（AGN）を同定すること。
• 星形成による汚染が最小限に抑えられた、信頼性の高いX線選択サンプルを提供することで、多波長フォローアップ観測を可能にすること。
• 感度の高いX線機器を用いて、初期宇宙におけるSMBH降着の広がりと分布を定量すること。
• X線診断を用いて、初期SMBHがその宿主銀河および広域の宇宙環境に与える影響を評価すること。

提案手法

• チャンドラやXMM-ニュートンに比べて2桁速いX線サーベイを実施するために、アテナ＋のワイドフィールドイメージャーを活用する。
• 星形成プロセスが他の波長でAGNの特徴を覆い隠すのに対し、X線放射によって降着駆動AGNを検出する。
• X線インテグラルフィールドユニットを用いて、高遮蔽状態AGNの主要な特徴である強力な鉄K-アルファ線を検出する。
• 将来的な多波長施設と組み合わせて、初期SMBHの宿主銀河内での物理的状態を調査する。
• X線サーベイを用いて、低光度および高遮蔽状態のz > 6 AGNを同定・特徴づける。
• アテナ＋の高感度と広視野を活かして、希少な初期AGNを統計的に有意に検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移z > 6における超大質量ブラックホールの真の数と分布は何か、特に遮蔽されやすく低光度な源についてはどうか？
• RQ2 初期SMBHの宿主銀河内の物理的状態は、その形成および降着歴にどのように影響を与えるか？
• RQ3 初期SMBH成長の何パーセントが遮蔽された降着によって進行しているか？ そして、X線観測によってその割合をどのように定量できるか？
• RQ4 アテナ＋のX線サーベイは、光学的または赤外線サーベイと比較して、高赤方偏移銀河内のAGN同定をどの程度向上させるか？
• RQ5 X線スペクトルにおける強力な鉄K-アルファ線は、初期宇宙における高遮蔽状態AGNの存在をどの程度正確に示すか？

主な発見

• アテナ＋は、赤方偏移z > 6における活動銀河核（AGN）を400個以上検出すると予想され、初期SMBHの既知のサンプルを顕著に拡大する。
• ワイドフィールドイメージャーにより、チャンドラやXMM-ニュートンなどの現在のミッションに比べて2桁速いX線サーベイが可能になる。
• X線インテグラルフィールドユニットにより、高遮蔽状態AGNを同定するための独自の特徴である強力な鉄K-アルファ線が検出可能となる。
• X線観測により、他の波長で大きな制限要因となる星形成による汚染が排除された信頼性の高いAGN同定が可能になる。
• アテナ＋と将来的な多波長施設の組み合わせにより、宿主銀河の状態を詳細に調査できる科学的利得が向上する。
• 本アプローチにより、初期宇宙におけるSMBH降着の広がりと分布の最初の定量的測定が可能になる。