[논문 리뷰] Pan-STARRS1 variability of XMM-COSMOS AGN. II. Physical correlations and power spectrum analysis

T. Simm, M. Salvato외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 127인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 약 90개의 XMM-COSMOS AGN에 대해 Pan-STARRS1 빛의 세기 변화를 이용하여 휴면 상태의 자외선/광학 영역에서의 변화를 분석하여 변화의 물리적 원인을 조사한다. 연구 결과, 변화의 진폭은 복사 빛의 강도와 에딩턴 비율과 강하게 반비례하며 기울기 ≈ −1을 보이며, 블랙홀 질량이나 적색편이에 대한 유의미한 의존성은 없음을 확인하여, 응집 속도가 핵심적인 원인임을 시사한다. 광학 PSD는 파형이 끊어진 거듭제곱 법칙으로 가장 잘 기술되며, 끊어진 지점은 100–300일 사이에 위치하고 고주파수 기울기는 −2에서 −4 사이로, 감쇠된 무작위 보행 모델과의 차이를 보인다.

ABSTRACT

[Abbreviated] We search for scaling relations between the fundamental AGN parameters and rest-frame UV/optical variability properties for a sample of $\sim$90 X-ray selected AGNs covering a wide redshift range from the XMM-COSMOS survey, with optical light curves in four bands provided by the Pan-STARRS1 (PS1) Medium Deep Field 04 survey. To estimate the variability amplitude we utilize the normalized excess variance ($σ_{\mathrm{rms}}^{2}$) and probe variability on rest-frame timescales of several months and years by calculating $σ_{\mathrm{rms}}^{2}$ from different parts of our light curves. In addition, we derive the rest-frame optical PSD for our sources using continuous-time autoregressive moving average (CARMA) models. We observe that the excess variance and the PSD amplitude are strongly anti-correlated with wavelength, bolometric luminosity and Eddington ratio. There is no evidence for a dependency of the variability amplitude on black hole mass and redshift. These results suggest that the accretion rate is the fundamental physical quantity determining the rest-frame UV/optical variability amplitude of quasars on timescales of months and years. The optical PSD of all of our sources is consistent with a broken power law showing a characteristic bend at rest-frame timescales ranging between $\sim$100 and $\sim$300 days. The break timescale exhibits no significant correlation with any of the fundamental AGN parameters. The low frequency slope of the PSD is consistent with a value of $-1$ for most of our objects, whereas the high frequency slope is characterized by a broad distribution of values between $\sim-2$ and $\sim-4$. These findings unveil significant deviations from the simple "damped random walk" model, frequently used in previous optical variability studies. We find a weak tendency for AGNs with higher black hole mass having steeper high frequency PSD slopes.

연구 동기 및 목표

• UV/광학 영역에서 AGN의 변화에 기여하는 물리적 원인을 이해하고, 특히 응집 속도의 역할을 규명한다.
• 이전 연구에서 빛의 강도, 블랙홀 질량, 적색편이와의 상관관계에 대해 갈등하는 결과가 있었음을 조율한다.
• 명확히 정의된 AGN 샘플에 대해 광학 파wer 스펙트럼 밀도(PSD)의 형태와 척도를 특성화한다.
• 감쇠된 무작위 보행(DRW) 모델이 AGN의 광학 변화를 설명하는 데 타당한지 테스트한다.
• 변화의 진폭이 휴면 상태의 시간 상수나 파장에 의존하는지 평가한다.

제안 방법

• 약 90개의 X선으로 선별된 AGN에 대해 Pan-STARRS1 미디엄 딥 필드 04 조사의 네 개 파장대역(gP1, rP1, iP1, zP1) 빛의 세기 변화를 이용한다.
• 휴면 상태의 시간 상수(월, 년)에서 변화의 진폭을 정량화하기 위해 정규화된 초과 분산(σ²_rms)을 계산한다.
• 연속 시간 자료 모형(continuous-time autoregressive moving average, CARMA) 모델을 적용하여 휴면 상태의 광학 파워 스펙트럼 밀도(PSD)를 재구성한다.
• 변화의 진폭(σ²_rms)과 AGN 물리적 매개변수(적색편이, 블랙홀 질량, 복사 빛의 강도, 에딩턴 비율) 간의 상관 분석을 수행한다.
• PSD를 끊어진 거듭제곱 법칙으로 모델링하여 끊어진 시간 상수, 저주파수 기울기, 고주파수 기울기를 추출한다.
• 적색편이에 따른 상관관계의 진화를 분석하기 위해, 파장 의존적 변화 및 빛의 강도 반비례 관계를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN의 휴면 상태 자외선/광학 영역에서의 변화 진폭은 복사 빛의 강도와 에딩턴 비율과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 휴면 상태의 광학 대역에서 변화의 진폭은 블랙홀 질량이나 적색편이에 유의미한 의존성을 가지는가?
• RQ3 AGN의 광학 파워 스펙트럼 밀도(PSD)의 본질적인 형태는 무엇이며, 감쇠된 무작위 보행(DRW) 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 광학 PSD의 끊어진 시간 상수는 블랙홀 질량이나 빛의 강도와 같은 기본적인 AGN 매개변수와 상관관계가 있는가?
• RQ5 광학 PSD의 고주파수 및 저주파수 기울기는 이론적 기대 또는 이전 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 초과 분산(σ²_rms)은 복사 빛의 강도와 강하게 반비례하며, 모든 PS1 파장대역과 월, 년 단위의 변화에서 로그 기울기가 약 −1이다.
• 초과 분산는 에딩턴 비율과도 강하게 반비례하며, 로그 기울기가 −1이므로 더 높은 응집 속도일수록 더 강한 광학 변화가 발생함을 시사한다.
• 변화의 진폭과 블랙홀 질량 또는 적색편이 사이에 유의미한 상관관계는 없으며, 이는 이들이 월에서 년 단위의 광학 변화의 주요 원인이 아님을 시사한다.
• 모든 소스의 광학 PSD는 끊어진 거듭제곱 법칙으로 일관되며, 끊어진 시간 상수는 약 ∼100에서 ∼300일 사이로, 블랙홀 질량, 빛의 강도, 에딩턴 비율, 파장에 관계없이 일정하다.
• 저주파수 기울기는 −1과 일치하며, X선 PSD와 유사한 반면, 고주파수 기울기는 −2에서 −4 사이의 넓은 분포를 보이며 감쇠된 무작위 보행 모델과의 상당한 차이를 나타낸다.
• 더 높은 블랙홀 질량일수록 고주파수 PSD 기울기가 더 가파르다는 약한 경향이 관찰되어, 짧은 시간 상수에서의 변화 메커니즘에 질량 의존성이 있을 가능성에 대한 시사점을 제공한다.