[논문 리뷰] Strong correlation between FeII/MgII ratio and Eddington ratio of type 1 Active galactic nuclei

Jaejin Shin, Jong-Hak Woo외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 108인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 허블과 스타일리안 디지털 스카이 서베이(SDSS)의 UV 스펙트럼을 사용하여 z < 2인 유형 1 활성 은하핵(AGNs)에서 Fe II/Mg II 복사율 비율을 조사하며, 에딩턴 비율과 강한 정의 상관관계를 보여, BLR 금속성은 블랙홀 질량이나 빛의 세기보다는 물리적으로 응집 활동과 연결되어 있음을 시사한다. 결과는 금속 냉각이 가스 유입을 증가시켜 AGN에서 높은 응집 속도를 유도함을 시사한다.

ABSTRACT

The FeII/MgII line flux ratio has been used as an indicator of the Fe/Mg abundance ratio in the broad line region (BLR) of active galactic nuclei (AGNs). On the basis of archival rest-frame UV spectra obtained via the Hubble Space Telescope and the Sloan Digital Sky Survey, we investigate the FeII/MgII ratios of type 1 AGNs at z < 2. Over wide dynamic ranges of AGN properties (i.e., black hole mass, AGN luminosity, and Eddington ratio), we confirm that the FeII/MgII ratio strongly correlates with Eddington ratio but not with black hole mass, AGN luminosity, or redshift. Our results suggest that the metallicity in the BLR are physically related to the accretion activity of AGNs, but not to the global properties of galaxies (i.e., galaxy mass and luminosity). With regard to the relation between the BLR metallicity and the accretion rate of AGNs, we discuss that metal cooling may play an important role in enhancing the gas inflow into the central region of host galaxies, resulting in the high accretion rate of AGNs.

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 질량, 빛의 세기, 에딩턴 비율의 넓은 동적 범위에서 AGN 성질에 따라 Fe II/Mg II 복사율 비율이 어떻게 달라지는지 조사하기 위해.
• 이전 연구에서 Fe II/Mg II 비율이 AGN 빛의 세기나 블랙홀 질량과 관련이 있는지에 대한 모순된 결과가 있었으나, 더 큰 다양성 있는 샘플을 사용하여 이를 해결하기 위해.
• Fe II/Mg II 비율이 우주적 진화와 관련이 있는지, 아니면 광역선 영역(BLR)의 응집 물리학과 관련이 있는지 조사하기 위해.
• BLR 금속성과 응집 속도를 연결하는 물리적 메커니즘을 탐색하며, 특히 금속 냉각과 가스 유입이 어떻게 영향을 미치는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• z < 0.4인 29개의 유형 1 AGNs와 0.46 < z < 2.02인 122개의 SDSS 퀘이사에 대해 허블 우주 망원경(HST)과 스타일리안 디지털 스카이 서베이(SDSS)의 고정 프레임 UV 스펙트럼을 확보하였다.
• 신호 대 잡음비(SNR > 3), 진폭 대 잡음비(ANR > 5 for Mg II, >3 for Fe II), 그리고 흡수선 또는 유형 2 AGN 오염이 없는 고품질 스펙트럼을 선별하였다.
• 2600–3050 Å 고정 프레임 범위에서 Fe II 및 Mg II 복사율을 측정하였으며, Fe II의 복합성 분해를 위해 다중 성분 피팅을 사용하여 Mg II 및 연속성분과의 겹침을 보정하였다.
• 단일 에포크 비르리얼 질량 추정치로부터 유도된 볼로메트릭 빛의 세기와 블랙홀 질량을 사용하여 에딩턴 비율을 계산하였다.
• 스피어만 순서 상관관계 분석을 수행하여 Fe II/Mg II 비율이 적색편이, 에딩턴 비율, 블랙홀 질량, 빛의 세기와의 의존성 여부를 평가하였다.
• 관측된 상관관계의 물리적 의미를 해석하기 위해 CLOUDY 광이온화 모델링을 사용하였다. 특히 금속 냉각과 가스 유입에 관한 사항을 중심으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유형 1 AGNs에서 Fe II/Mg II 복사율 비율은 AGN 성질의 넓은 동적 범위에서 에딩턴 비율과 상관관계가 있는가?
• RQ2 이전 연구에서 보고된 바와 같이, Fe II/Mg II 비율은 적색편이와 AGN 빛의 세기와 독립적인가, 아니면 더 넓은 샘플을 사용할 경우 숨겨진 의존성이 드러나는가?
• RQ3 BLR 금속성과 응집 속도를 연결하는 물리적 메커니즘은 무엇이며, 금속 냉각은 가스 유입과 응집 활동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이전 연구에서 Fe II/Mg II 비율과 블랙홀 질량 또는 빛의 세기 사이에 모순된 상관관계가 보고된 이유는 무엇이며, 이는 샘플 선택 편향 때문인가?

주요 결과

• Fe II/Mg II 비율은 z ∼ 2까지 적색편이에 대해 유의미한 의존성이 없음을 확인하여, 이 적색편이 범위 내에서 BLR 금속성이 우주적 진화를 겪지 않았음을 확인한다.
• 약 6개의 디아데시컬 범위에서 Fe II/Mg II 비율과 AGN 빛의 세기 사이에 약한 정의 상관관계가 발견되었으며, 이는 N V/C IV와 같은 BLR 금속성 지표와 일치한다.
• Fe II/Mg II 비율과 블랙홀 질량 사이에 유의미한 상관관계는 발견되지 않았으며, 이전에 보고된 반대 상관관계는 빛의 세기 범위가 제한된 샘플 선택 편향 때문임을 밝혔다.
• Fe II/Mg II 비율과 에딩턴 비율 사이에 강한 정의 상관관계가 확인되어 BLR 금속성이 물리적으로 응집 활동과 연결되어 있음을 시사한다.
• 상관관계는 높은 Fe/Mg 농도에 의해 유도되는 금속 냉각이 중심 영역으로의 가스 유입을 증가시키며, 이로 인해 AGN에서 높은 응집 속도가 유지됨을 시사한다.
• 이전 연구에서 CLOUDY 모델링의 일관성 문제(예: Sameshima 등 2017)는 정확하지 않은 Fe II 원자 모델이나 대표성 없는 매개변수 공간에서 기인할 수 있으며, 이는 기존에 예측한 기체 밀도와 에딩턴 비율 간의 반대 상관관계에 의심을 제기한다.