[論文レビュー] X-Ray Evidence Against the Hypothesis that the Hyper-Luminous z=6.3 Quasar J0100+2802 is Lensed

Thomas Connor, Daniel Stern+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 56被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、XMM-NewtonのX線データを用いて、赤方偏移z=6.3の超高輝度クェーサーJ0100+2802が約450の増幅で重力レンズ効果を受けるという仮説を検証する。X線輝度がそのような極端な増幅と整合しないことが判明し、それは源が異常にX線で暗い必要があることを意味する。これは既知のクェーサーのスケーリング関係と矛盾し、高赤方偏移クェーサー集団全体との根本的な不整合を示している。

ABSTRACT

The $z=6.327$ quasar SDSS J010013.02+280225.8 (hereafter J0100+2802) is believed to be powered by a black hole more massive than $10^{10}\ { m M}_\odot$, making it the most massive black hole known in the first billion years of the Universe. However, recent high-resolution ALMA imaging shows four structures at the location of this quasar, potentially implying that it is lensed with a magnification of $\mu\sim450$ and thus its black hole is significantly less massive. Furthermore, for the underlying distribution of magnifications of $z\gtrsim6$ quasars to produce such an extreme value, theoretical models predict that a larger number of quasars in this epoch should be lensed, implying further overestimates of early black hole masses. To provide an independent constraint on the possibility that J0100+2802 is lensed, we re-analyzed archival XMM-Newton observations of the quasar and compared the expected ratios of X-ray luminosity to rest-frame UV and IR luminosities. For both cases, J0100+2802's X-ray flux is consistent with the no-lensing scenario; while this could be explained by J0100+2802 being X-ray faint, we find it does not have the X-ray or optical spectral features expected for an X-ray faint quasar. Finally, we compare the overall distribution of X-ray fluxes for known, typical $z\gtrsim6$ quasars. We find a $3\sigma$ tension between the observed and predicted X-ray-to-UV flux ratios when adopting the magnification probability distribution required to produce a $\mu=450$ quasar.

研究の動機と目的

• ALMA画像が示唆するように、超高輝度の赤方偏移z=6.3クェーサーJ0100+2802が約450の増幅で重力レンズ効果を受けるという仮説を検証すること。
• X線/UVおよびX線/IR輝度関係に照らして、J0100+2802のX線輝度がレンズ効果シナリオと整合するかを評価すること。
• µ~450のクェーサーに対して必要なレンズ効果の確率分布が、z>6クェーサー集団の観測されたX線特性と整合するかを評価すること。
• J0100+2802がX線で暗いクェーサーに一般的に見られるスペクトル的特徴を示すかを検討し、それがレンズ効果により本質的に暗い場合に期待されるものかを確認すること。
• 特にαOXおよびLX–νL6µm関係において、レンズ効果仮説と高赤方偏移クェーサーの既知のスケーリング関係との間に生じる矛盾を定量化すること。

提案手法

• XMM-NewtonのアーカイブX線観測データを再分析し、最新のキャリブレーションおよびSAS v19.0.0を用い、source extractionにはxmmextractorを用い、背景領域の選択を慎重に行った。
• rest-frame X線輝度（L2−10 keV）を計算し、UV（L2500）および赤外線（νL6µm）輝度と比較することで、Lusso & Risaliti（2016）のαOX関係およびStern（2015）のLX–νL6µm関係との整合性を検証した。
• スケーリング関係からの逸脱の統計的有意性を、関係の固有分散と平均値の標準誤差を用いて定量化した。
• レンズ効果仮説の下でz>6クェーサーの∆αOX分布の期待される分布をシミュレーションし、µ~450のイベントを生じるための光度関数にβ ≥ 3.7を仮定した。
• Pacucci & Loeb（2020）の確率的レンズモデルを用い、µ=10を超える領域でのlog(P(≥µ))–log(µ)空間に外挿し、10%の保守的勾配低下を適用した。
• 観測およびシミュレートされた∆αOX分布を、個々の測定誤差に一致するガウスカーネルで平滑化し、統計的整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ALMA画像が示唆するように、J0100+2802のX線輝度は約450の増幅と整合するか？
• RQ2 J0100+2802は、レンズ効果により本質的に暗い場合に期待される典型的なX線で暗いクェーサーのスペクトル的特徴を示すか？
• RQ3 J0100+2802がµ~450で増幅されているならば、その結果生じるz>6クェーサー集団は、低赤方偏移での観測されたX線/UV輝度関係（αOX）と整合するか？
• RQ4 レンズ効果仮説と高赤方偏移クェーサーのスケーリング関係、特にX線帯域における統計的矛盾は何か？
• RQ5 µ~450のクェーサーを生じるための必要光度関数勾配β ≥ 3.7は、z~6までの高赤方偏移AGNにおけるX線の進化が観測されていないことと矛盾するか？

主な発見

• J0100+2802がµ~450で増幅されていると仮定すると、αOX値はLusso & Risaliti（2016）の関係から∆αOX = −0.32だけずれ、固有分散に基づく有意水準は3.5σとなる。
• クェーサーのX線輝度はStern（2015）のLX–νL6µm関係と整合せず、log(L2−10 keV)のオフセットが−1.00に達し、Sternサンプルの全155個のクェーサーの範囲をはるかに超える（2.7σの有意水準）。
• J0100+2802のスペクトルエネルギー分布は、X線で暗いクェーサーに一般的に見られる光学的およびX線的特徴を示さず、本質的なX線で暗い性質は妥当な説明とは言えない。
• シミュレーションにより、レンズ効果仮説が正しいと仮定した場合、z>6クェーサー集団全体が観測値よりも著しく増幅されている必要があり、Lusso & RisalitiのαOX関係と3σ以上の矛盾が生じる。
• µ~450のクェーサーを生じるためにはβ ≥ 3.7の光度関数勾配が必要であり、その場合、高赤方偏移AGNにおけるX線の進化が観測されていないことと矛盾する。
• X線データは、ALMAの解釈が示唆するような極端な増幅と整合しないという、レンズ効果仮説を強く反証する独立した証拠を提供している。