[논문 리뷰] Correlations between X-ray properties and Black Hole Mass in AGN: towards a new method to estimate black hole mass from short exposure X-ray observations

Julian A. Mayers, Kathy Romer외 15명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 19.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 장시간의 XMM-Newton 관측이 필요한 정규화된 초과 분산(σ²_NXS) 측정을 피하기 위해, 단기 eROSITA 노출에서 유도된 X선 복사원도(L_X)를 사용하여 AGN의 블랙홀 질량(M_BH)을 추정하는 방법을 제안한다. M_BH와 L_X 사이의 상관관계가 확인되어, 대규모 AGN 샘플의 M_BH 분포를 통계적으로 추정할 수 있게 되었으며, 다만 산란이 크기 때문에 개별 측정치는 여전히 불확실하다.

ABSTRACT

Several investigations of the X-ray variability of active galactic nuclei (AGN) using the normalised excess variance (${σ^2_{ m NXS}}$) parameter have shown that variability has a strong anti-correlation with black hole mass ($M_{ m BH}$) and X-ray luminosity ($L_{ m X}$). In this study we confirm these previous correlations and find no evidence of a redshift evolution. Using observations from XMM-Newton, we determine the ${σ^2_{ m NXS}}$ and $L_{ m X}$ for a sample of 1091 AGN drawn from the XMM-Newton Cluster Survey (XCS) - making this the largest study of X-ray spectral properties of AGNs. We created light-curves in three time-scales; 10 ks, 20 ks and 40 ks and used these to derive scaling relations between ${σ^2_{ m NXS}}$, $L_{ m X}$ (2.0-10 keV range) and literature estimates of $M_{ m BH}$ from reverberation mapping. We confirm the anti-correlation between $M_{ m BH}$ and ${σ^2_{ m NXS}}$ and find a positive correlation between $M_{ m BH}$ and $L_{ m X}$. The use of ${σ^2_{ m NXS}}$ is practical only for pointed observations where the observation time is tens of kiloseconds. For much shorter observations one cannot accurately quantify variability to estimate $M_{ m BH}$. Here we describe a method to derive $L_{ m X}$ from short duration observations and used these results as an estimate for $M_{ m BH}$. We find that it is possible to estimate $L_{ m X}$ from observations of just a few hundred seconds and that when correlated with $M_{ m BH}$, the relation is statistically similar to the relation of $M_{ m BH}$-$L_{ m X}$ derived from a spectroscopic analysis of full XMM observations. This method may be particularly useful to the eROSITA mission, an all-sky survey, which will detect $>$10$^{6}$ AGN.

연구 동기 및 목표

• 단기 노출에서 유도된 X선 복사원도(L_X)가 AGN에서 블랙홀 질량(M_BH)의 대체 지표로 사용될 수 있는지 조사하기 위해.
• 장기간의 변동성 측정이 비현실적인 eROSITA 전천문 조사 데이터에서 대규모 AGN 샘플의 M_BH를 추정하는 것이 가능한지 테스트하기 위해.
• 30개의 AGN 샘플에서 스펙트럼으로 유도된 L_X와 반사 시간 지연 측정된 M_BH를 사용하여 L_X에서 M_BH로의 상관관계를 검증하기 위해.
• eROSITA의 카운트 레이트에서 유도된 L_X 추정치가 스펙트럼 피팅 결과와 비교할 때 얼마나 강인한지 평가하기 위해.
• 미래의 조사(예: OzDES)가 M_BH–L_X 관계의 적색편이 기반을 확장할 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• XMM-Newton 클러스터 조사(XCS)의 XMM-Newton 관측 데이터를 사용하여, 18~30개의 AGN에 대해 10~20ks 간격의 세그먼트에서 σ²_NXS와 L_X를 측정하였다.
• 30개의 AGN에서 스펙트럼으로 유도된 L_X와 반사 시간 지연 측정된 M_BH 값을 사용하여 M_BH–L_X 관계를 校정하였다.
• XMM-Newton 데이터에 스펙트럼 피팅 기법을 적용하여 eROSITA 유사한 카운트 레이트에서 L_X를 유도함으로써 단기 노출 조건을 시뮬레이션하였다.
• 카운트 레이트에서 추정된 L_X와 전체 스펙트럼 피팅 결과 간의 통계적 일관성을 평가하였다.
• 개별 질량 추정이 아닌 인구 수준의 추정에 적합한지 판단하기 위해 M_BH–L_X 관계의 산란을 평가하였다.
• OzDES 조사와 교차 매칭하여 향후 M_BH–L_X 관계의 진화를 테스트하기 위한 15개의 새로운 고적색편이 AGN를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단기 노출에서 유도된 L_X를 사용할 때도, AGN에서 블랙홀 질량(M_BH)과 X선 복사원도(L_X) 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 eROSITA 카운트 레이트에서 추정된 L_X가 장시간 XMM-Newton 노출에서 관측된 M_BH–L_X 관계를 신뢰할 만하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 미래의 조사(예: OzDES)로 탐색된 고적색편이(z > 0.5) 영역에서 M_BH–L_X 상관관계가 유지되는가?
• RQ4 M_BH–L_X 관계의 산란은 무엇이며, 이는 개별 질량 추정을 불가능하게 만들거나 인구 수준의 통계적 분석에만 허용하는가?
• RQ5 eROSITA 전천문 조사에서 예상되는 100만 개 이상의 AGN에 대해 M_BH–L_X 관계를 얼마나 활용하여 블랙홀 질량 분포를 추정할 수 있는가?

주요 결과

• 반사 시간 지연 측정된 M_BH와 스펙트럼으로 유도된 L_X를 가진 30개의 AGN 샘플에서 M_BH와 L_X 사이에 유의미한 상관관계가 확인되었다.
• eROSITA 유사 카운트 레이트에서 추정된 L_X 값은 전체 스펙트럼 피팅 결과와 통계적으로 일치하여, 단기 노출 조건에서의 방법이 검증되었다.
• M_BH–L_X 관계의 산란은 크며, 동일한 L_X에서 M_BH가 최대 두 개의 지수 단위까지 변동하므로, 개별 천체의 질량 추정에는 제한이 있다.
• 고적색편이 영역에서 M_BH–L_X 상관관계가 확인된다면, eROSITA를 통해 대규모 AGN 샘플의 블랙홀 질량 분포를 통계적으로 추정할 수 있게 된다.
• OzDES 조사는 반사 시간 지연 측정된 M_BH 측정치를 현재 샘플의 적색편이 범위를 초월한 고적색편이 AGN 포함하여 최대 50% 증가시킬 것으로 기대된다.
• 이 방법은 정밀한 개별 M_BH 측정에는 부적합하지만, AGN 블랙홀 질량 함수의 인구 수준 추세를 연구하는 데는 실현 가능하다.