[논문 리뷰] A Balmer-line Broad Absorption Line Quasar

Patrick B. Hall|arXiv (Cornell University)|2006. 11. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 초성운 SDSS J125942.80+121312.6에서 강한 넓은 Balmer-계열 흡수선(Hβ에서 H9까지)과 저이온화 및 자극된 Fe II 흡수선을 관측한 결과를 보고한다. n=2 수소 껍질의 관측된 인구는 매우 높은 광학 두께를 지닌 Compton-희박한 흡수체에서 Lyα 포획에 의해 설명되며, 이는 중성 수소 열량(N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²)이 매우 높기 때문이다. 이는 지금까지 알려진 바에서 가장 강한 Balmer-선 BAL 초성운이며, 초성운 흡수체에서 이러한 조건이 얼마나 드물게 나타나는지 보여준다.

ABSTRACT

I report the discovery of blueshifted broad absorption line (BAL) troughs in at least six transitions of the Balmer series of hydrogen (Hbeta to H9) and in CaII, MgII and excited FeII in the quasar SDSS J125942.80+121312.6. This is only the fourth active galactic nucleus known to exhibit Balmer absorption, all four in conjunction with low-ionization BAL systems containing excited Fe II. The substantial population in the n=2 shell of H I in this quasar's absorber likely arises from Ly-alpha trapping. In an absorber sufficiently optically thick to show Balmer absorption, soft X-rays from the quasar penetrate to large τ_Lyαand ionize H I. Recombination then creates Ly-alpha photons that increase the n=2 population by a factor τ_Lyαsince they require about τ_Lyαscatterings to diffuse out of the absorber. Observing Ly-alpha trapping in a quasar absorber requires a large but Compton-thin column of gas along our line of sight which includes substantial H I but not too much dust. Presumably the rarity of Balmer-line BAL troughs reflects the rarity of such conditions in quasar absorbers.

연구 동기 및 목표

• 강한 Balmer-계열 흡수선과 함께 저이온화 및 자극된 Fe II 흡수선을 보이는 희귀한 초성운을 식별하고 특성화하는 것.
• 강한 이온화 복사에도 불구하고 초성운 흡수체에서 중성 수소(H I)의 n=2 준위가 어떻게 인구가 형성되는지 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• Lyα 포획과 높은 중성 수소 열량 밀도가 필요한 특정 조건을 분석하여 Balmer-선 BAL 초성운의 희귀성을 설명하는 것.
• 흡수체의 밀도, 이온화 상태, 중심 소스로부터의 거리 등을 제약 조건으로 삼아 초성운 풍 모델과 AGN 피드백에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• SDSS J125942.80+121312.6의 SDSS DR5 스펙트럼을 분석하여 Hβ에서 H9, Ca II, Mg II 및 자극된 Fe II의 흡수 트로프에 초점을 맞춘다.
• [O II] 및 [O III] 발광선을 이용한 적색이동 측정을 통해 초성운의 적색이동(z = 0.7517)과 파랑으로 이동한 흡수 특징을 결정한다.
• Lyα 포획 이론을 사용하여 H I 준위 인구를 모델링하며, 광자는 탈출하기 전에 약 ≈ τ_Lyα번 산란되며, 이로 인해 n=2 인구가 τ_Lyα 배수만큼 증가한다.
• Balmer 흡수 트로프의 깊이와 너비로부터 중성 수소 열량 밀도(N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²)를 추정한다.
• 스펙트럼으로부터 유도된 낮은-dust 함량과 Compton-희박한 흡수체에서의 흡수체의 광학 두께와 Compton 투명도를 평가한다.
• 특정 흡수체 조건(고 τ_Lyα, 고 N_HI, 저먼지, Compton-희박)이 초성운에서 Balmer-선 흡수의 희귀성을 결정짓는 데 기여하는지 기존 BAL 초성운과 비교 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SDSS J125942.80+121312.6의 흡수체에서 중성 수소(H I)의 n=2 준위가 강하게 인구가 형성되는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 높은 중성 수소 열량이 존재함에도 불구하고 Balmer-선 넓은 흡수선이 초성운 흡수체에서 왜 이렇게 희귀한가요?
• RQ3 Lyα 포획은 이 초성운에서 관측된 Balmer 흡수에 어떻게 기여하는가, 그리고 이는 흡수체의 광학 두께와 기하학적 구조에 대해 어떤 함의를 갖는가요?
• RQ4 관측된 Balmer 및 Fe II 흡수 특징을 바탕으로 흡수체의 이온화 상태, 밀도, 중심 소스로부터의 거리에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가요?
• RQ5 고온과 같은 대안적 메커니즘이 관측된 H I 준위 인구를 설명할 수 있을까, 그리고 왜 이것이 불가능한가요?

주요 결과

• SDSS J125942.80+121312.6는 초성운에서 지금까지 관측된 바에서 가장 강한 Balmer-선 넓은 흡수선(Hβ에서 H9까지)을 보이며, 가장 깊은 트로프는 2960 ± 70 km s⁻¹만큼 파랑으로 이동되어 있다.
• 흡수체는 관측된 Balmer 흡수 깊이와 너비와 일치하는 약 N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²의 높은 중성 수소 열량 밀도를 지닌다.
• H I의 n=2 껍질에 대한 인구는 광자가 탈출하기 전에 약 ≈ τ_Lyα번 산란되는 Lyα 포획에 의해 가장 잘 설명되며, 이로 인해 n=2 인구가 τ_Lyα 배수만큼 증가한다.
• 흡수체는 Compton-희박하고 먼지가 적은 것으로 나타나며, 강한 흡수의 부재와 근적외선 영역에서의 초성운 검출(J=17.00±0.16, Ks=15.32±0.15)로 확인된다.
• Balmer-선 BAL 초성운의 희귀성(전체 BAL 초성운의 ≤1%)은 고 τ_Lyα, 고 N_HI, 저먼지, Compton-희박 기하학적 조건이 동시에 충족되어야 하는 극도로 특수한 조건 때문임을 밝혀냈다.
• 이 초성운에서 Balmer 흡수와 함께 자극된 Fe II 및 저이온화 선이 관측됨으로써, 이러한 시스템은 철 저이온화 BAL 초성운과 관련이 있으며, 이전에 생각했던 것보다 더 흔할 수 있음을 확인하였지만, 일반적으로 약하거나 적색이동된 특징으로 인해 간과되기 쉬운 편이다.