[論文レビュー] Zooming into the broad line region of the gravitationally lensed quasar Q2237+0305 = the Einstein Cross: III. Determination of the size and structure of the CIV and CIII] emitting regions using microlensing

Dominique Sluse, Robert W. Schmidt+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2010

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 5被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、重力レンズ効果を受けるクェーサー QSO 2237+0305（アインシュタイン・クロス）における微小レンズ効果を用いて、C IVおよびC III]の広帯域発光線領域のサイズと構造を測定した。39点の分光的光度測定データを分析し、シミュレートされた微小レンズ光曲線にベイズモデリングを適用することで、C IV発光領域の半光半径は66⁺¹⁰⁻⁴⁶光日（0.06⁺⁰.⁰⁹⁻⁰.⁰⁴ pc）であると特定された。これは半径-フォトン出力関係と整合的であり、ブラックホール質量は10⁸.³⁺⁰.³ M☉に達する。

ABSTRACT

We aim to use microlensing taking place in the lensed quasar Q2237+0305 to study the structure of the broad line region and measure the size of the region emitting the CIV and CIII] lines. Methods: Based on 39 spectrophotometric monitoring data points obtained between Oct. 2004 and Dec. 2007, we derived lightcurves for the CIV and CIII] emission lines. We used three different techniques to analyse the microlensing signal. Different components of the lines (narrow, broad and very broad) are identified and studied. We built a library of simulated microlensing lightcurves that reproduce the signal observed in the continuum and in the lines provided only the source size is changed. A Bayesian analysis scheme is then developed to derive the size of the various components of the BLR. Results: 1. The half-light radius of the region emitting the CIV line is found to be R_CIV ~ 66^{+110}_{-46} lt-days = 0.06$^{+0.09}_{-0.04}$ pc = 1.7$^{+2.8}_{-1.1}$\,10$^{17}$ cm (at 68.3% CI). Similar values are obtained for CIII]. Relative sizes of the carbon-line and V-band continuum emitting-regions are also derived with median values of R(line)/R(cont) in the range 4 to 29, depending of the FWHM of the line component. 2. The size of the CIV emitting region agrees with the Radius-Luminosity relationship derived from reverberation mapping. Using the virial theorem we derive the mass of the black hole in Q2237+0305 to be M_BH ~ 10^{8.3+/-0.3} M_sun. 3. We find that the CIV and CIII] lines are produced in at least 2 spatially distinct regions, the most compact one giving rise to the broadest component of the line. The broad and narrow line profiles are slightly different for CIV and CIII]. 4. Our analysis suggests a different structure for the CIV and FeII+III emitting regions, with the latter produced in the inner part of the BLR or in a less extended emitting region than CIV.

研究の動機と目的

• 微小レンズ法を用いて、高光度クェーサー QSO 2237+0305 のバルクライン領域（BLR）の物理的サイズと構造的複雑性を測定すること。
• ラインプロファイルにわたる微小レンズ効果の差を分析することで、C IVおよびC III]発光成分の空間的分布を解明すること。
• 測定されたBLRサイズが、リバーブベーションマッピングから導かれた半径-フォトン出力関係と整合的かどうかを検証すること。
• バーリー近似を用いて、微小レンズで得られたサイズ推定値からブラックホール質量を推定すること。
• 異なるイオン化状態（例：C IV 対 Fe II+III）が、BLR 内で空間的に別個の領域から発生しているかどうかを調査すること。

提案手法

• 2004年10月から2007年12月にかけて、アインシュタイン・クロスの39点の分光的光度測定データを取得し、時間分解型発光ライン光曲線を構築した。
• 微小レンズ信号を分析するために3つの独立した手法を適用した：速度スライスごとの差分光曲線、ガウス成分への分解、およびシミュレートされた微小レンズ光曲線との比較。
• シミュレートされた微小レンズ光曲線を、源のサイズのみが変化するようにフィッティングすることで、発光領域の半光半径を推定するベイズ分析フレームワークを構築した。
• 発光ラインを、異なるFWHM（例：C IVでは、狭帯域：約2600 km s⁻¹、広帯域：約6300 km s⁻¹；C III]では3成分）を持つガウス成分の和としてモデル化し、空間的に別個の発光領域を分離した。
• バーリー近似を用いて、測定されたBLRサイズとライン幅から、バーリー平衡を仮定してブラックホール質量を導出した。
• 異なるライン成分における微小レンズの振幅を比較することで、相対的なサイズと空間的構造を推定した。強い微小レンズ効果は、よりコンパクトな発光領域を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QSO 2237+0305におけるC IVおよびC III]の広帯域発光線領域の物理的サイズは、微小レンズによってどの程度制約されるか？
• RQ2 C IVおよびC III]の発光線は空間的に別個の領域から生成されているのか？ もしそうならば、それらのサイズと運動論的性質はどのように異なるか？
• RQ3 発光ラインの異なる速度成分にわたる微小レンズ信号に体系的な変化があるか？ これはBLRの幾何学的構造にどのような含意を持つのか？
• RQ4 C IVおよびFe II+IIIの発光領域のサイズはどのように比較されるか？ これにより、それらがBLR内のどの位置にあるかの手がかりが得られるか？
• RQ5 測定されたBLRサイズは、リバーブベーションマッピングから導かれた半径-フォトン出力関係と整合的か？ これはブラックホール質量にどのような含意を持つのか？

主な発見

• C IV発光領域の半光半径は、68.3%信頼区間を伴い、66⁺¹⁰⁻⁴⁶光日（0.06⁺⁰.⁰⁹⁻⁰.⁰⁴ pc）と測定された。
• C III]発光領域のサイズはC IV領域と同程度であり、高イオン化度のライン同士の空間的広がりが類似していることを示している。
• ライン発光領域のサイズとVバンド連続スペクトルのサイズの比は、ライン成分のFWHMに応じて4から29の範囲を示しており、広帯域成分がよりコンパクトな領域から発生していることを示している。
• C IVおよびC III]ラインは、少なくとも2つの空間的に別個の成分から発生している：コンパクトで広帯域の成分と、より広がった狭帯域の成分。広帯域成分が最も強い微小レンズ効果を示している。
• Fe II+III発光は強い微小レンズ効果を示すが、広がった成分は認められないため、これはBLRの最も内側で最もコンパクトな領域から発生していることを示唆している。
• バーリー定理を用いて導かれたブラックホール質量は、M_BH ~ 10⁸.³⁺⁰.³ M☉であり、半径-フォトン出力関係および微小レンズによるサイズ測定と整合的である。