[論文レビュー] Weighing black holes from zero to high redshift

A. Marconi, D. J. Axon+5 more|ArXiv.org|Sep 2, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、幅線領域の雲に作用する放射圧力を考慮することで、ビリアルブラックホール質量推定値を補正する。放射圧力を無視した場合、推定されるブラックホール質量は顕著に小さくなる可能性がある。著者らは、高光度の状況では放射圧が幅線領域を解体する可能性があることを示し、クェーサーにおける標準的ビリアル質量推定の有効性に疑問を呈する。また、多くの高赤方偏移クェーサーが重力的に束縛されていない幅線領域を持つ可能性があると示唆している。

ABSTRACT

The application of the virial theorem provides a tool to estimate supermassive black hole (BH) masses in large samples of active galactic nuclei (AGN) with broad emission lines at all redshifts and luminosities, if the broad line region (BLR) is gravitationally bound. In this paper we discuss the importance of radiation forces on BLR clouds arising from the deposition of momentum by ionizing photons. Such radiation forces counteract gravitational ones and, if not taken into account, BH masses can be severely underestimated. We provide virial relations corrected for the effect of radiation pressure and we discuss their physical meaning and application. If these corrections to virial masses, calibrated with low luminosity objects, are extrapolated to high luminosities then the BLRs of most quasars might be gravitationally unbound. The importance of radiation forces in high luminosity objects must be thoroughly investigated to assess the reliability of quasar BH masses.

研究の動機と目的

• 幅線領域の雲に作用する放射圧を無視したために生じる活動銀河核におけるブラックホール質量の系統的低減を是正すること。
• 赤方偏移や光度にわたって使用可能な、放射圧補正を含むビリアル質量推定器をキャリブレーションすること。
• 高光度クェーサーにおいて、幅線領域が重力的に束縛されているというビリアル定理の仮定の妥当性を評価すること。
• 高赤方偏移および高光度において、標準的な1エポックおよびリバーブレーションマッピングによる質量推定値が依然として信頼できるかどうかを評価すること。
• 放射圧が重力よりも優勢になり、幅線領域を解体するに十分な臨界光度L*を特定すること。

提案手法

• 放射力項を含む修正されたビリアル関係式（式1）を導出。これにより、幅線領域の雲が受ける有効な重力ポテンシャルが変更される。
• 光度に比例し、雲の密度に反比例する放射圧補正項を導入。これは、電離光子による運動量の堆積に基づく。
• リバーブレーションマッピングデータを用いた局所AGNを用いて、修正されたビリアル質量推定器をキャリブレーション。これにより、M_BH–σ関係と整合性を保つ。
• 修正された関係式を、SDSSクェーサーの大規模サンプル（Shen et al. 2008）に適用し、赤方偏移および光度にわたる質量補正を評価。
• R_BLR–L関係を用いて幅線領域の半径を推定し、ライン幅の測定値と組み合わせて、放射圧補正あり・なしの両方でビリアル質量を計算。
• 臨界光度L*（放射圧が重力を打ち消す点）と光度を比較することで、Eddington比分布と幅線領域の束縛状態を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電離光子からの放射圧は、ビリアル質量推定値における推定ブラックホール質量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高光度クェーサーと低光度AGNとの比較において、ビリアル質量推定値に対する放射圧補正の大きさはどの程度か？
• RQ3 どの光度で放射圧が十分に強くなり、幅線領域を解体し、重力的束縛という基本的仮定を破るようになるか？
• RQ4 修正されたビリアル質量が、高赤方偏移クェーサーにおけるEddington比分布にどのように影響を与えるか？
• RQ5 放射圧を考慮した場合、現在の1エポックおよびリバーブレーションマッピングによる質量推定値が、どの程度まで有効に保たれるか？

主な発見

• 放射圧補正により、幅線領域の雲が受ける有効な重力ポテンシャルが低下し、リバーブレーションマッピングにおけるビリアル因子fが標準推定値と比較して約2倍小さくなる。
• 中程度の光度（L ~ 10^11 L_sun）および密度（N_H ~ 10^23 cm^-2）の状況では、放射圧補正が約2.7 × 10^7 M_sunに達し、一般的なセフェイド銀河のブラックホール質量と同等の大きさになる。
• L > 10^12 L_sunの高赤方偏移クェーサーでは、放射圧補正がビリアル項を支配し、ブラックホール質量が光度に線形に比例するようになる。
• 高光度クェーサーでは、Eddington比分布がL/L_Edd ~ 0.15で飽和し、この光度では幅線領域が重力的解体に近づいていることが示唆される。
• 高光度クェーサーの顕著な割合が、L = L_EddとL = L*の間の領域に位置しており、ここでは幅線領域が潜在的に非束縛状態にある。これは、標準的ビリアル質量推定の有効性に疑問を呈する。
• FWHM < 10,000 km/sかつL > 10^12 L_sunの多くのクェーサーが、放射圧と重力が釣り合う臨界光度L*に近い位置にあり、これらの源ではビリアル仮定が根本的に崩壊している可能性がある。