[논문 리뷰] Reverberation Mapping of Two Luminous Quasars: the Broad-line Region Structure and Black Hole Mass

Shasha Li, Sen Yang외 22명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 96인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 빛나는 활성은하핵 PG 0923+201에 대한 처음으로 반사 맵핑을 수행하고, PG 1001+291에 대해 장기간의 기록 캠페인을 실시하였으며, 양자 모두에서 L5100 > 10⁴⁵ erg s⁻¹를 기록하였다. 속도 해상도가 있는 시간 지연을 사용하여, 블랙홀계의 블러드라인 영역(BLR)의 복잡한 운동학을 규명하고, 각각 118⁺¹¹₋₁₆ × 10⁷ M⊙ 및 3.33⁺⁰.⁶²₋₀.⁵⁴ × 10⁷ M⊙의 블랙홀 질량을 측정하였다. 특히 PG 1001+291는 초-에딩턴 비율의 물질 붕괴로 인해 표준 R_Hβ–L5100 관계에서 뚜렷한 이탈을 보였으며, 이는 고광도 및 고적색변위에서 단일에포크 질량 추정치가 과대평가될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We report the results of a multi-year spectroscopic and photometric monitoring campaign of two luminous quasars, PG~0923+201 and PG~1001+291, both located at the high-luminosity end of the broad-line region (BLR) size-luminosity relation with optical luminosities above $10^{45}~{ m erg~s^{-1}}$. PG~0923+201 is for the first time monitored, and PG~1001+291 was previously monitored but our campaign has a much longer temporal baseline. We detect time lags of variations of the broad H$\beta$, H$\gamma$, Fe {\sc ii} lines with respect to those of the 5100~{\AA} continuum. The velocity-resolved delay map of H$\beta$ in PG~0923+201 indicates a complicated structure with a mix of Keplerian disk-like motion and outflow, and the map of H$\beta$ in PG~1001+291 shows a signature of Keplerian disk-like motion. Assuming a virial factor of $f_{ m BLR}=1$ and FWHM line widths, we measure the black hole mass to be $118_{-16}^{+11} imes 10^7 M_{\odot}$ for PG~0923+201 and $3.33_{-0.54}^{+0.62} imes 10^7 M_{\odot}$ for PG~1001+291. Their respective accretion rates are estimated to be $0.21_{-0.07}^{+0.06} imes L_{ m Edd}\,c^{-2}$ and $679_{-227}^{+259} imes L_{ m Edd}\,c^{-2}$, indicating that PG~0923+201 is a sub-Eddington accretor and PG~1001+291 is a super-Eddington accretor. While the H$\beta$ time lag of PG~0923+201 agrees with the size-luminosity relation, the time lag of PG~1001+291 shows a significant deviation, confirming that in high-luminosity AGN the BLR size depends on both luminosity and Eddington ratio. Black hole mass estimates from single AGN spectra will be over-estimated at high luminosities and redshifts if this effect is not taken into account.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 고광도 활성은하핵(L5100 > 10⁴⁵ erg s⁻¹)에서 블랙홀 질량과 BLR 구조를 측정하고자 한다. 이는 반사 맵핑(RM) 샘플에서 미흡하게 다뤄진 영역이다.
• 고에딩턴 비율이 R_Hβ–L5100 관계에 미치는 영향을 조사하여, 단일에포크 블랙홀 질량 추정에 핵심적인 영향을 미친다.
• 속도 해상도가 있는 지연도를 사용하여 PG 0923+201과 PG 1001+291의 블러드라인 영역(BLR)의 운동학을 분석하고자 한다.
• 초기성 활성은하핵 환경에서 초-에딩턴 물질 붕괴를 겪는 경우, 비율 상수 fBLR = 1인 비율 질량 추정법의 신뢰성을 시험하고자 한다.

제안 방법

• 리장 2.4m, CAHA 2.2m, 팔로마 60인치 등 여러 천체망원경을 사용하여 PG 0923+201과 PG 1001+291에 대해 다년간의 스펙트로스코픽 및 광도 측정 캠페인을 수행하였다.
• 시간 시리즈 스펙트로스코피에서 연속광 및 넓은 선형 방출선의 빛의 세기 변화를 측정하고, 기존의 시간 도메인 설문 데이터를 사용하여 校정하였다.
• 5100 Å 연속광과 넓은 Hβ, Hγ, Fe II 선형 방출선 사이의 시간 지연을 결정하기 위해, 보간된 상관함수(ICCF) 방법을 적용하였다.
• 속도 해상도가 있는 지연도를 구성하여 Hβ 선의 운동학을 분석하고, 케플러 운동과 기체 분출의 흔적을 확인하였다.
• virial 공식 M• = fBLR × RBLR × ΔV² / G를 사용하여 블랙홀 질량을 계산하였으며, fBLR = 1을 가정하고 평균 스펙트럼에서의 FWHM를 사용하였다.
• 에딩턴 비율을 사용하여 물질 붕괴율을 평가하였으며, L/L_Edd = L5100 / (1.5 × 10³⁸ × M• / M⊙) × c⁻²로 표현하였으며, 여기서 c는 빛의 속도이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PG 0923+201과 PG 1001+291의 넓은 선형 방출선 시간 지연은 표준 R_Hβ–L5100 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 이 두 개의 빛나는 활성은하핵에서 BLR의 운동학적 구조는 어떻게 되는가? 특히 케플러 운동과 기체 분출의 측면에서 설명하고자 한다.
• RQ3 에딩턴 비율이 고광도 AGN에서 BLR 크기-광도 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표준 비율 질량 추정법(fBLR = 1)은 초-에딩턴 물질 붕괴를 겪는 활성은하핵에서 신뢰성 있게 블랙홀 질량을 추정할 수 있는가?
• RQ5 고적색변위 및 고광도에서 R_Hβ–L5100 관계에 기반한 단일에포크 블랙홀 질량 추정치는 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• PG 0923+201의 Hβ 시간 지연는 ICCF 방법으로 108.2⁺⁶.⁶₋₁₂.³ 일로 측정되었고, PG 1001+291의 경우 37.3⁺⁶.⁹₋₆.₀ 일로 측정되었다.
• PG 0923+201의 Hβ 속도 해상도 지연도는 선의 날개에서 짧은 지연, 중심에서 긴 지연를 보이며, 적색 이동 영역에서 더 긴 지연를 나타내어 BLR 내에서 비율 운동과 기체 분출이 혼재되어 있음을 시사한다.
• PG 1001+291의 Hβ 지연는 대칭적이고 비율 운동에 부합하는 구조를 보이며, 케플러 운동에 유사한 디스크 형태의 운동을 나타낸다.
• PG 0923+201의 블랙홀 질량은 FWHM와 fBLR = 1을 가정하여 118⁺¹¹₋₁₆ × 10⁷ M⊙로 추정되었고, PG 1001+291의 경우 3.33⁺⁰.⁶²₋₀.⁵⁴ × 10⁷ M⊙로 추정되었다.
• PG 1001+291의 물질 붕괴율은 679⁺²⁵⁹₋²²⁷ × L_Edd c⁻²로 측정되어 초-에딩턴 붕괴자로 확인되었고, 반면 PG 0923+201는 0.21⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁷ × L_Edd c⁻²로 초-에딩턴 이하의 붕괴율을 보였다.
• PG 1001+291의 Hβ 시간 지연는 경험적 R_Hβ–L5100 관계에서 0.78 dex 아래에 위치하여, BLR 크기가 광도뿐만 아니라 에딩턴 비율에 의존함을 보여주며, 이 효과를 고려하지 않을 경우 고적색변위에서 단순한 단일에포크 질량 추정치가 잘못될 수 있음을 시사한다.