[논문 리뷰] Evolution of supermassive black holes

Andreas Mueller, G. Hasinger|ArXiv.org|2007. 08. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 XMM-Newton COSMOS 및 찬드라 딥 필드 서던과 같은 깊은 X선 조사 자료를 활용하여 코스믹 X선 배경 스펙트럼을 설명하는, 콜로프틴-얇음과 콜로프틴-두꺼운 활성 은하핵(AGN)의 통합 모델을 제안한다. 주요 결과는 이전에 대량으로 미발견되었던 콜로프틴-두꺼운 AGN가 관측된 X선 배경을 재현하는 데 핵심적인 역할을 하며, 특히 30 keV 부근에서 중요한 기여를 한다는 것이다. 이들의 포함은 관측된 블랙홀 질량 함수와 국소의 퇐면 SMBH 분포를 일치시키며, 고광도 AGN가 저광도 AGN보다 이르게 형성되는 반-계층적 성장 패턴을 드러낸다.

ABSTRACT

The cosmological evolution of supermassive black holes (SMBHs) seems to be intimately linked to their host galaxies. Active galactic nuclei (AGN) can be probed by deep X-ray surveys. We review results from large X-ray selected samples including first results from the XMM-Newton COSMOS survey. A new picture arises from the fact that high-luminosity AGN grow earlier than low-luminosity AGN. In particular, the space density of low-luminosity AGN exhibits a significant decline for redshifts above z=1. This 'anti--hierarchical' growth scenario of SMBHs can be explained by two modes of accretion with different efficiency. The population of Compton-thick sources plays a key role in our understanding of the BH growth history. Their space density and redshift distribution is relevant to estimate the SMBH mass function. A comparison with the relic SMBH mass distribution in the local Universe constrains the average radiative efficiency and Eddington ratio of the accretion. We discuss a new synthesis model of Compton-thin and Compton-thick sources that is in concordance with deep X-ray observations and in particular predicts the right level of contribution of the Compton-thick source population observed in the Chandra Deep Field South observations as well as the first INTEGRAL and Swift catalogues of AGN. Currently, one of the most important problems is the evolution of obscuration with redshift.

연구 동기 및 목표

• 관측된 코스믹 X선 배경(CXB) 스펙트럼과 알려진 AGN 인구의 기여 간 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 특히 30 keV 부근에서 표준 모델이 실패하는 상황에서, 콜로프틴-두꺼운 AGN가 X선 배경에 미치는 역할을 규명하기 위해.
• CXB에서 유추된 적축 블랙홀 질량 함수(BHMF)를 국소 우주에서 관측된 퇴화한 SMBH 분포와 일치시키기 위해.
• 특히 고광도 AGN가 저광도 AGN보다 이르게 형성되는 반-계층적 성장 패턴을 포함한 AGN의 광도 의존적 진화를 모델링하기 위해.
• 특히 고적색 이동 및 저광도 영역에서의 광학(폭넓은 대비, 좁은 선) 및 X선(흡수) 진단을 융합하여 AGN 분류를 향상시키기 위해.

제안 방법

• XMM-Newton COSMOS 및 찬드라 딥 필드 서던(CDF-S)을 포함한 깊은 X선 조사 자료를 활용하여, 80% 이상의 적색편이 완전도를 확보한 고적색 이동, 고완전도 AGN 샘플 확보.
• 1 < z < 2 범위에서 광학 스펙트럼 측정이 실패하는 '스펙트럼 디저트' 문제를 해결하기 위해 광도 적색편이(photo-z) 기법 적용.
• 세 개의 인구로 구성된 AGN 통합 모델을 도입: 투명한 콜로프틴-얇음, 흡수된 콜로프틴-얇음, 콜로프틴-두꺼운 AGN로, 다양한 열두께(로그 NH)와 스펙트럼 기울기를 포함.
• 평균값을 중심으로 한 정규분포 산란을 스펙트럼 기울기(⟨Γ⟩ = 1.9)에 적용하여 내재된 스펙트럼 변동성을 모델링하고 배경 스펙트럼 피팅을 향상.
• 모델 예측을 관측된 X선 배경 스펙트럼 및 AGN 목록(스위프트 BAT, 인티그랄, CDF-S)과 비교하여, 모델이 관측된 소스 수와 스펙트럼 특징을 재현할 수 있음을 검증.
• SMBH 스핀이 에너지 예산에 기여한다는 가정 하에, 국소의 퇼면 SMBH 질량 함수 제약 조건을 활용해 평균 복사 효율성 및 에딩턴 비율을 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 코스믹 X선 배경 스펙트럼은 콜로프틴-얇은 AGN만으로는 설명할 수 없는 30 keV 부근의 볼록한 피크를 보이는가?
• RQ2 콜로프틴-두꺼운 AGN가 총 X선 배경에 기여하는 비율은 얼마이며, 그들의 적색편이 분포는 추정된 블랙홀 질량 함수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 반-계층적 SMBH 성장 패턴—고광도 AGN가 저광도 AGN보다 이르게 형성되는 것—은 어떻게 적축 물리학에서 기인하는가?
• RQ4 z > 1에서 저광도 AGN의 관측된 공간 밀도는 국소의 퇼면 SMBH 질량 함수와 어떻게 일치할 수 있으며, 이는 적축 효율성과 블랙홀 스핀에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 고적색 이동에서 X선과 광학 AGN 분류 체계는 어느 정도 일치하는가? 그리고 주변 은하의 오염은 광학 분류에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 코스믹 X선 배경 스펙트럼, 특히 20–30 keV 부근의 피크를 재현하기 위해 콜로프틴-두꺼운 AGN 인구(로그 NH > 24)의 포함이 필수적이다.
• 모델은 스위프트 BAT, 인티그랄, CDF-S 목록에서의 관측 결과와 일치하는 콜로프틴-두꺼운 AGN 비율을 예측하여 그 예측 능력을 검증한다.
• 저광도 AGN의 공간 밀도는 적색편이 z > 1에서 뚜렷이 감소하며, 고광도 쿼asar가 저광도 세이퍼트 유사 AGN보다 이르게 형성되는 반-계층적 성장 패턴을 시사한다.
• X선 배경에서 유추된 적축 블랙홀 질량 함수가 국소의 퇼면 SMBH 질량 함수와 일치하는 것은 SMBH 스핀을 포함할 경우에만 가능하며, 이는 도는 블랙홀이 에너지 출력에 크게 기여한다는 것을 시사한다.
• 광도가 증가함에 따라 유형-2 대비 유형-1 AGN 비율이 감소하며, 이는 높은 광도 AGN가 피드백을 통해 주변을 청소하여 은폐도를 감소시킨다는 것을 시사한다.
• 모델은 콜로프틴-얇은 AGN가 총 X선 배경에 가장 큰 기여를 하지만, 30 keV 부근에서 스펙트럼 균형을 이루는 데서는 콜로프틴-두꺼운 AGN가 주요 기여를 한다는 것을 보여준다.