[논문 리뷰] A multi-epoch spectroscopic study of the BAL quasar APM 08279+5255 II. Emission- and absorption-line variability time lags

Francesco Gabriele Saturni, D. Trèvese외 3명|Cineca Institutional Research Information System (Tor Vergata University)|2015. 12. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 81인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 16년에 걸친 다중 에포크 광도 및 스펙트로스코픽 데이터를 사용하여 고적색 이동 BAL 활성은하핵 APM 08279+5255의 Si IV 및 C IV 방출선에 대한 최초의 반향 맵핑을 수행하며, 휴면 기준 시간 지연 약 900일을 측정하여 약 10^10 M☉의 블랙홀 질량을 유추한다. 또한 C IV 좁은 흡수계에서 약 160일의 재결합 시간 지연을 확인하여, 이 흡수체가 핵심에서 약 10 kpc 떨어져 있으며 주은하 내부에 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

The study of high-redshift bright quasars is crucial to gather information about the history of galaxy assembly and evolution. Variability analyses can provide useful data on the physics of the quasar processes and their relation with the host galaxy. In this study, we aim at measuring the black hole mass of the bright lensed BAL QSO APM 08279+5255 at $z=3.911$ through reverberation mapping, and at updating and extending the monitoring of its C IV absorption line variability. Thanks to 138 R-band photometric data and 30 spectra available over 16 years of observations, we perform the first reverberation mapping of the Si IV and C IV emission lines for a high-luminosity quasar at high redshift. We also cross-correlate the C IV absorption equivalent width variations with the continuum light curve, in order to estimate the recombination time lags of the various absorbers and infer the physical conditions of the ionised gas. We find a reverberation-mapping time lag of $\sim 900$ rest-frame days for both Si IV and C IV emission lines. This is consistent with an extension of the BLR size-to-luminosity relation for active galactic nuclei up to a luminosity of $\sim 10^{48}$ erg/s, and implies a black hole mass of $10^{10}$ $M_\odot$. Additionally, we measure a recombination time lag of $\sim 160$ days in the rest frame for the C IV narrow absorption system, which implies an electron density of the absorbing gas of $\sim 2.5 \cdot 10^4$ cm$^{-3}$. The measured black hole mass of APM 08279+5255 indicates that the quasar resides in an under-massive host-galaxy bulge with $M_{bulge} \sim 7.5 M_{BH}$, and that the lens magnification is lower than $\sim 8$. Finally, the inferred electron density of the narrow-line absorber implies a distance of the order of 10 kpc of the absorbing gas from the quasar, placing it within the host galaxy.

연구 동기 및 목표

• 고적색 이동 BAL 활성은하핵 APM 08279+5255의 Si IV 및 C IV 방출선에 대한 반향 맵핑을 통해 블랙홀 질량을 측정하는 것.
• C IV 흡수선 변화의 모니터링을 업데이트하고, 좁은 흡수계에서의 재결합 시간 지연을 결정하는 것.
• 시간 지연 측정을 통해 이온화된 기체의 물리적 조건과 공간적 위치를 추론하는 것.
• 측정된 시간 지연와 거리-광도 관계를 이용하여 APM 08279+5255의 렌즈 증폭을 제약하는 것.
• 블랙홀 질량 대 부울지질량 비율을 평가하고 주은하의 진화 상태를 평가하는 것.

제안 방법

• 연속체와 방출선 변화 간의 시간 지연를 측정하기 위해 약 16년 간의 관측을 포함하는 30개의 스펙트럼과 138개의 R-대역 광도 라이트 커브에 반향 맵핑을 적용한다.
• 교차상관 분석을 통해 연속체와 C IV 방출선 간의 휴면 기준 시간 지연를 결정하며, Si IV 및 C IV 양쪽에 대해 약 900일의 지연를 얻는다.
• 등가 폭 변화와 연속체 라이트 커브를 교차상관하여 C IV 좁은 흡수계에서의 재결합 시간 지연를 약 160일로 측정한다.
• 재결합 지연와 볼로메트릭 빛의 세기를 가정하여 이온화 파라미터와 흡수체의 거리를 추정하며, 일반적으로 U ~ 10^-2의 이온화 파라미터를 가정한다.
• 표준 반향 맵핑 공식을 사용하여 블랙홀 질량을 계산한다: M_BH = f * c * t_lag * Δv² / G, 여기서 f는 비틀림 구 nu에 대해 약 1로 가정한다.
• 거리-광도 관계를 역으로 적용하여 렌즈 증폭을 제약하며, μ = 2.4^{+5.8}_{-1.9}를 얻는다. 이는 Riechers 등(2009)의 모델과 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 APM 08279+5255에서 연속체와 Si IV/C IV 방출선 간의 휴면 기준 시간 지연는 얼마이며, 이는 블랙홀 질량에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ2 C IV 좁은 흡수계의 재결합 시간 지연는 얼마이며, 이는 흡수체의 거리와 밀도에 대해 어떤 정보를 제공하는가?
• RQ3 측정된 시간 지연는 APM 08279+5255의 렌즈 증폭을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 APM 08279+5255의 블랙홀 질량 대 부울지질량 비율은 얼마이며, 이는 주은하의 진화 상태에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ5 관측된 C IV 흡수 변화는 이전에 제안된 바와 같이 약 200 Å에서 이온화 연속체의 변화에 의해 유도되는가?

주요 결과

• Si IV 및 C IV 방출선에 대한 휴면 기준 시간 지연는 각각 약 900일로 측정되었으며, 최대 약 10^48 erg s^-1의 빛의 세기까지 블랙홀 영역 크기-광도 관계와 일치한다.
• 측정된 시간 지연와 일반적인 선폭 가정을 기반으로 블랙홀 질량은 약 10^10 M☉로 추정된다.
• C IV 좁은 흡수계에서 재결합 시간 지연는 약 160일로 측정되었으며, 이는 흡수체가 중심 엔진으로부터 약 9.6 kpc 떨어져 있음을 시사한다.
• 흡수 기체의 전자 밀도는 약 2.5 × 10^4 cm^-3로 추정되었으며, 이는 밀도가 높고 압축된 흡수체가 주은하 내부에 있음을 일관되게 지지한다.
• 렌즈 증폭은 μ = 2.4^{+5.8}_{-1.9}로 제약되었으며, 이는 Riechers 등(2009)의 모델과 일치하며, Egami 등(2000)의 높은 증폭 모델을 배제한다.
• 흡수체는 주은하 내부에 위치해 있으며, 그 거리(~10 kpc)가 일반적인 은하 부울지 크기와 유사하고, 이온화 파라미터가 은하 환경과 일치함을 고려할 때 그러한 결론을 내릴 수 있다.