[논문 리뷰] Current and future applications of Reverberation-mapped quasars in Cosmology

Swayamtrupta Panda, Mary Loli Martínez‐Aldama외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 130인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 거리 측정을 위해 고적색도로까지 반사지수-광도(R-L) 관계를 연장하기 위해, 특히 z ≈ 0.9에서 Mg II 선을 통해 반사지수 측정된 활성은하핵(AGN)을 사용하는 것을 제안한다. 수정된 R-L 관계는 초-Eddington 질량 흡착을 고려하여 제시되며, 이는 ΛCDM 모델과 2σ 이내에서 우주론적 매개변수 Ωm 및 ΩΛ를 추정할 수 있도록 하며, 향후 LSST를 통한 광도 기반 반사지수 측정을 위한 프레임워크를 제시한다.

ABSTRACT

Reverberation mapping technique is an important milestone in AGN demographics, kinematics and the structure of the Broad Line Region (BLR) based on the time-delay response between the continuum and emission line. The time delay is directly related to the size of BLR which is related to the continuum luminosity of the source, producing the well-known Radius-Luminosity (RL) relation. The majority of sources have been monitored for their H$\beta$ emission line in low redshift sources ($z<0.1$), while there are some attempts using the MgII line for higher redshifts. We present a recent MgII monitoring for the quasar CTS C30.10 ($z=0.90$) observed with the 10-meter SALT, for which RL scaling based on MgII holds within measurement and time-delay uncertainties. One of the most important advantages of reverberation mapping technique is the independent determination to the distant source, and considering the large range of redshifts and luminosities found in AGNs, their application to cosmology is promising. However, recently it has been found that highly accreting sources show the time delays shorter than expected from RL relation. We propose correction for this effect using a sample of 117 H$\beta$ reverberating-mapped AGNs with $0.02<z<0.9$, recovering the low scatter along with the relation. We are able to determine the cosmological constants, $\Omega_m$ and $\Omega_\Lambda$ within 2$\sigma$ confidence level. We present the first steps in modelling of light curves for H$\beta$ and MgII and discuss the quasar selection in the context of photometric reverberation mapping with Large Synoptic Survey Telescope (LSST). With the onset of the LSST era, we expect a huge rise in the overall quasar counts and redshift range covered ($z\lesssim 7.0$), which will provide a better constraint of AGN properties with cosmological purposes.

연구 동기 및 목표

• 중간적색도를 가진 활성은하핵의 Mg II 발광선을 통해 저적색도를 초월한 반사지수-광도(R-L) 관계를 연장하기 위해.
• 초-Eddington 질량 흡착률로 인한 시간지연 측정의 체계적 편향을 보정하기 위해.
• 반사지수 측정된 활성은하핵을 통한 우주론적 매개변수 추정의 가능성을 평가하기 위해.
• 향후 LSST 광도 기반 반사지수 측정을 위한 필터링 알고리즘과 합성 광도 곡선 모델링을 개발하기 위해.
• LSST 시대를 대비해 활성은하핵 광도 곡선 시뮬레이션 및 시간지연 측정을 위한 활성은하핵 선별 최적화를 위해.

제안 방법

• 남아프리카 대형망원경(SALT)을 사용하여 중간적색도 활성은하핵 CTS C30.10 (z = 0.90)의 6년간 모니터링 캠패인을 수행하여 Mg II 선의 반응 시간 지연을 측정하였다.
• Hβ 및 Mg II 자료를 포함한 117개의 반사지수 측정된 AGN을 결합하여 일반 거듭제곱형 R-L 관계를 피팅: log(RBLR/1 lt-day) = K + α log(λLλ/1044 erg s⁻¹).
• 초-Eddington 질량 흡착에 의한 보정을 적용하여 R-L 관계의 산란을 감소시켰으며, 이는 이론적 기대와 일치하는 낮은 산란을 회복하였다.
• 보정된 R-L 관계를 사용하여 광도 거리 추정 및 우주론적 매개변수 Ωm 및 ΩΛ의 제약 조건을 설정하였다.
• 활성은하핵 특성(광도, 적색도, 블랙홀 질량, EW)과 LSST 기구 응답(필터 대역, 순회 주기, 필터 교체 시간)을 통합한 합성 광도 곡선 생성기를 개발하였다.
• 발광선 강도, 필터 겹침, 선 폭에 기반한 필터링 알고리즘을 제안하여 광도 기반 반사지수 측정에 최적화된 활성은하핵을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 데이터로 Mg II 기반 R-L 관계를 z ≈ 0.9까지 신뢰성 있게 연장할 수 있는가?
• RQ2 초-Eddington 질량 흡착은 시간지연 측정 및 R-L 관계의 산란에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반사지수 측정을 통해 우주론적 매개변수를 2%의 불확도로 제약 조건을 설정하기 위해 필요한 표본 크기는 얼마인가?
• RQ4 LSST의 광역 다중 대역 설문에 최적화된 광도 기반 반사지수 측정은 어떻게 수행될 수 있는가?
• RQ5 LSST 광도 측정에서 고정밀도 시간지연 측정이 가능한 활성은하핵을 식별하는 데 핵심적인 선별 기준은 무엇인가?

주요 결과

• CTS C30.10의 Mg II 시간지연는 소스 기준으로 τMgII = 551+49−82 일로 측정되었으며, z ≈ 0.90에서 R-L 관계의 존재를 확인하였다.
• 117개 AGN의 통합 R-L 관계는 K = 1.47 ± 0.06 및 α = 0.59 ± 0.06의 최적 피팅 파rameter를 얻었으며, 불확도 범위 내에서 Hβ 기반 관계(α ≈ 0.533)와 일치하였다.
• 초-Eddington 질량 흡착에 의한 보정은 R-L 관계의 산란을 성공적으로 감소시켜 보다 신뢰할 수 있는 거리 추정을 가능하게 하였다.
• 시간지연 측정의 불확도가 5%일 경우, 약 625개의 활성은하핵이 필요하여 우주론적 매개변수를 2%의 불확도로 제약 조건을 설정할 수 있다.
• LSST 설문은 반사지수 측정된 활성은하핵의 수를 약 5개의 지수 단위 증가시킬 것으로 예측되며, 이는 대규모 우주론 연구를 가능하게 한다.
• 제안된 필터링 알고리즘과 합성 광도 곡선 모델링은 최적의 활성은하핵 선별 및 LSST 광도 기반 반사지수 측정을 위한 기초를 제공한다.