[論文レビュー] VLT/ISAAC Spectra of the Hbeta Region in Intermediate-Redshift Quasars III. Hbeta Broad Line Profile Analysis and Inferences about BLR Structure

P. Marziani, J. W. Sulentic+3 more|ArXiv.org|Dec 1, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 48

ひとこと要約

本研究は、53個の中赤方偏移クェーサーのVLT/ISAACスペクトルを分析し、広帯域Hβ線プロファイルを調査することで、広帯域線領域（BLR）の構造を推定する。2つの明確な集団が特定された：A集団は対称的で、バニラ化されたHβプロファイルを示し、B集団は赤方偏移した非常に広帯域成分を示す。B集団は高ラティチュード、低エディングトン比系と関連しており、降着円盤の流入または散乱過程と関連している可能性が示唆される。

ABSTRACT

[Abridged] We present new VLT ISAAC spectra for 30 quasars, which we combine with previous data to yield a sample of 53 intermediate redshift (z ~ 0.9 - 3.0) sources. The sample is used to explore properties of prominent lines in the Hbeta spectral region of these very luminous quasars. We find two major trends: (1) a systematic increase of minimum FWHM Hbeta with luminosity (discussed in a previous paper). This lower FWHM envelope is best fit assuming that the narrowest sources radiate near the Eddington limit, show line emission from a virialized cloud distribution, and obey a well defined broad line region size vs. luminosity relation. (2) A systematic decrease of equivalent width of [OIII] (from W ~ 15 to ~ 1 A) with increasing source bolometric luminosity (from log L ~ 43 to log L ~ 49). Further identified trends required discrimination between so-called Population A and B sources. We generate median composite spectra in six luminosity bins Pop. A sources show reasonably symmetric Lorentzian Hbeta profiles at all luminosities while Pop. B sources require two component fits involving an unshifted broad and a redshifted very broad component. Very broad Hbeta increases in strength with increasing L while the broad component remains constant resulting in an apparent "Baldwin effect" with equivalent width decreasing from W ~ 80 to ~ 20 A over our sample luminosity range. The roughly constant equivalent width shown by the Hbeta very broad component implies production in optically-thick, photoionized gas. The onset of the redshifted very broad component appears to be a critical change that occurs near the Pop. A-B boundary at FWHM Hbeta ~ 4000 km/s which we relate to a critical Eddington ratio (~ 0.2 +/- 0.1).

研究の動機と目的

• 高信噪比、中分解能スペクトルを用いて、中赤方偏移クェーサーにおける広帯域線領域（BLR）の構造と運動学を調査すること。
• 全ラティチュード範囲（log L_bol ≈ 43–49）にわたる広帯域Hβ線プロファイルの形態の違いを特定・特徴付けること。
• Hβ線プロファイルの形状、ラティチュード、エディングトン比との関係、特に赤方偏移した非常に広帯域成分の出現を調査すること。
• 非常に広帯域成分が光透過性で光電離された媒体に由来するという仮説を検証し、BLRの幾何学的構造と降着物理学への影響を評価すること。
• A集団（対称的でバニラ化）とB集団（非対称的で赤方偏移した非常に広帯域成分を有する）クェーサーの物理的差異を明確にすること。

提案手法

• 30個の新規クェーサーの高信噪比VLT/ISAACスペクトルを取得し、既存データと統合して、中赤方偏移クェーサー53個のサンプルを構築（z ≈ 0.9–3.0）。
• 信号対雑音比を最大化し、内在的なプロファイル傾向を明らかにするために、6つのラティチュード・ビンにわたり中央値合成スペクトルを構築。
• Hβ線プロファイルの形態に基づき、A集団とB集団に分類：A集団は対称的でローレンツ型プロファイルを示す。B集団は、非シフトされた広帯域成分と赤方偏移した非常に広帯域成分の2成分フィットを必要とする。
• Hβ成分の全波幅半値（FWHM）と等価幅（W）を測定し、B集団における重ね合わせの影響を補正。
• バニラ化運動を仮定して、バニラ化法を用いてブラックホール質量を推定し、ボロメトリックラティチュードとM_BHからエディングトン比を導出。
• BLRサイズのラティチュード依存性を検証するため、Kaspi関係（R_BLR ∝ L^a）を適用し、特にFWHMの下限エッジに注目。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤方偏移範囲（z ≈ 0.9–3.0）において、クェーサーのラティチュードが上昇するに従い、Hβ広帯域線プロファイルの形態はどのように変化するか？
• RQ2 B集団クェーサーに観測される赤方偏移した非常に広帯域成分を生じる物理的条件は何か。その強度はラティチュードとともにどのように変化するか？
• RQ3 A集団とB集団を分ける臨界的なエディングトン比は存在するか。これはBLR構造と降着物理学にどのような意味を持つのか？
• RQ4 なぜHβ広帯域成分の等価幅はラティチュードとともに減少する（バルディン効果）が、非常に広帯域成分の等価幅は一定のままであるのか？
• RQ5 観測された非対称性と非常に広帯域成分の赤方偏移は、重力赤方偏移で説明可能か。それとも散乱や流入といった代替メカニズムを要するのか？

主な発見

• Hβ広帯域成分の最小FWHMは、ボロメトリックラティチュードに伴い系統的に増加し、バニラ化され、ディスク型BLRモデルの下限に一致しており、最も狭い源がエディングトン限界に近いことを示唆している。
• A集団の源は、全ラティチュード範囲で対称的でローレンツ型に近いHβプロファイルを示し、ディスク型BLR内のバニラ化運動に一致しており、ブラックホール質量は約4デシベル（log M_BH ≈ 6–10）の範囲をカバーする。
• B集団の源は2成分フィットを必要とし、非シフトされた広帯域成分（Hβ_BC）と赤方偏移した非常に広帯域成分（Hβ_VBC）を有する。後者はラティチュード範囲にわたって、Hβ全流量に占める割合が約25％から60％に増加する。
• Hβ_BCの等価幅は、ラティチュード上昇に伴い4倍減少（約80 Åから約20 Å）し、「スーパー・バルディン効果」として示唆されるが、Hβ_VBCの等価幅はほぼ一定であり、光透過性で光電離された媒体からの放射を示唆する。
• Hβ_BCのFWHMは、Hβ_VBCによる広帯域化補正後もラティチュード依存性を示さず、両集団に共通する一貫したブラックホール質量範囲（log M_BH ≈ 6–10）を支持する。
• FWHM(Hβ) ≈ 4000 km s⁻¹付近に臨界的転換点が存在し、エディングトン比は約0.2 ± 0.1に対応する。A集団（高いエディングトン比、log L_bol/L_Edd ≈ -0.7 から 0.18）とB集団（低いエディングトン比、log L_bol/L_Edd ≈ -1.1 から -0.2）に分かれる。B集団の80％がlog L_bol/L_Edd < -0.4を満たす。