[論文レビュー] The Hot and Energetic Universe: Understanding the build-up of supermassive black holes and galaxies at the heyday of the Universe

A. Georgakakis, F. J. Carrera+20 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、宇宙の「黄金期」（z=1–4）における超大質量ブラックホールと銀河の共進化を画期的な研究が可能にする Athena+ X線天文台の可能性を提案している。高スループットのX線分光法と広視野イメージングを活用することで、AGNフィードバックを調べるためのブルー・シフト吸収線を検出するとともに、特にコンプトン厚い源を含め、遮蔽されたAGNを最大100倍多く特定可能となる。これにより、ブラックホール成長と銀河進化に関する重要な不確実性が解消される。

ABSTRACT

Observations in the last decade have provided strong evidence that the growth of supermassive black holes at the centres of galaxies is among the most influential processes in galaxy evolution. Open questions that relate to our current understanding of black hole growth and its relation to the build-up of galaxies at redshifts z=1-4, when most black holes and stars we see in present-day galaxies were put in place, include: what is the nature of AGN feedback and whether it plays a significant role in the evolution of galaxies? what is the dominant population of accreting AGN at that critical epoch? is it dominated by obscured objects as required by many current observations and models? The Athena+ mission concept will provide the technological leap required for a breakthrough in our understanding of AGN and galaxy evolution at the heyday of the Universe. The high throughput of Athena+ will allow the systematic study of the incidence, nature and energetics of AGN feedback processes to z~4 via the identification and measurement of blue-shifted X-ray absorption lines. The excellent survey and spectral capabilities of the Athena+ Wide Field Imager will complete the census of black hole growth by yielding samples of up to 100 times larger than is currently possible of the most heavily obscured, including Compton thick, AGN to redshifts z~4. The demographics of this population relative to their hosts is fundamental for understanding how major black hole growth events relate to the build-up of galaxies.

研究の動機と目的

• 超大質量ブラックホールと星形成のピーク期（z=1–4）におけるAGNフィードバックが銀河進化に果たす役割に関する未解決の問題を解明すること。
• 高赤方偏移域における降着中のAGNの主な集団を特定すること、特に遮蔽され、コンプトン厚いAGNが降着予算を支配しているかどうかを解明すること。
• 現在の調査限界を超えて明るく遮蔽されたAGNを検出することで、ブラックホール成長の包括的アンケートを完成させること。
• AGNとその宿主銀河との間の人口統計的関係を確立し、共進化プロセスを理解すること。
• 宇宙時間にわたるAGNフィードバックのエネルギー的側面を、ブルー・シフトX線吸収線を通じて体系的に調査すること。

提案手法

• Athena+の高スループットX線分光法を活用し、AGNにおける電離ガスの吹き出しを直接示すブルー・シフトX線吸収線を検出・測定する。
• Athena+のワイドフィールドイメージャー（WFI）を用いて、X線の空域を深く広くスキャンし、z~4までにまで到達するレアで重度に遮蔽されたAGNを検出する。
• 分光的分解能と高い感度を組み合わせ、現在の大多数の調査で見逃されているコンプトン厚いAGNを同定・特徴付ける。
• AGNサンプルの統計的分析を通じて、遮蔽されたAGNと非遮蔽AGNの割合と赤方偏移に伴う進化を特定する。
• AGNの性質（放射度、遮蔽度、吹き出し速度）と宿主銀河の特徴を照合し、共進化的傾向を評価する。
• 既存の深宇宙X線調査（例：XMM-COSMOS、Chandra Deep Fields）を、Athena+の調査設計と期待される収量の基準点として活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=1–4におけるAGNフィードバックの性質と銀河進化への影響は何か。星形成を制御する要因となっているか。
• RQ2 z=1–4における超大質量ブラックホールの降着は、遮蔽されたAGN、特にコンプトン厚い源に支配されているのか。
• RQ3 高赤方偏移域におけるAGNの人口統計（放射度、遮蔽度、吹き出し特性）は、その宿主銀河の特性とどのように相関するか。
• RQ4 遮蔽されたAGNの包括的アンケートが得られた現在の状況を踏まえ、ブラックホール成長と銀河進化のモデルはどの程度見直しが必要か。
• RQ5 ブルー・シフトX線吸収線は、宇宙時間にわたるAGNの吹き出しとフィードバックエネルギーの信頼できるプローブとして利用可能か。

主な発見

• Athena+により、AGNの吹き出しにおけるブルー・シフトX線吸収線の検出が可能となり、AGNフィードバックが実際に作用している直接的証拠が得られる。
• Athena+のワイドフィールドイメージャーは、現在の調査と比較して検出可能なAGN数を最大100倍まで増加させ、とくに重度に遮蔽されたおよびコンプトン厚い源に顕著に効果を発揮する。
• このミッションにより、z~4におけるブラックホール成長の包括的アンケートが達成され、長年の高赤方偏移調査における遮蔽されたAGNの欠落問題が解消される。
• X線分光法によるAGNフィードバックの発生頻度とエネルギーの測定を通じ、Athena+は大質量銀河における星形成の抑制に果たすフィードバックの役割を定量化する。
• 高い感度と分光的分解能の組み合わせにより、z~4までにまで及ぶAGNの遮蔽関数と放射度関数の正確な決定が可能になる。
• Athena+のデータは、AGNの性質と宿主銀河の質量、星形成率、形状の統計的関連を可能にし、共進化モデルの発展を促進する。