[논문 리뷰] Taking a Long Look: A Two-Decade Reverberation Mapping Study of High-Luminosity Quasars

S. Kaspi, W. N. Brandt외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 01.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고광도 활성은하핵(quasars)에 대한 20년에 걸친 반향 맵핑 캠프에 기반하며, 세 개의 물체에서 자외선 연속광과 C IV 발광선 간의 시간 지연을 측정하고, 한 개의 물체에서는 C III]을 측정하였다. 이는 8개의 광도 차수에 걸쳐 BLR 크기가 자외선 광도의 제곱근에 비례함을 확인하였으며, 상당한 내재적 산란이 존재하고, 블랙홀 질량이 유사하게 비례함을 암시적으로 유도하였다. 이는 가장 광도가 높은 AGN까지 유효한 비르탈 질량 관계를 연장하는 것이다.

ABSTRACT

Reverberation mapping (RM) of active galactic nuclei (AGNs) has been used over the past three decades to determine AGN broad-line region (BLR) sizes and central black-hole masses, and their relations with the AGN's luminosity. Until recently the sample of objects with RM data was limited to low-luminosity AGNs ($L_{ m opt} \lesssim 10^{46}$ ergs s$^{-1}$) and low redshifts ($z \lesssim 0.5$). Here we present results from a reverberation-mapping project of some of the most luminous and highest redshift quasars that have been mapped to date. The study is based on almost twenty years of photometric monitoring of 11 quasars, six of which were monitored spectrophotometrically for 13 years. This is the longest reverberation-mapping project carried out so far on this type of AGNs. We successfully measure a time lag between the CIV$λ$1549 broad emission line and the quasar continuum in three objects, and measure a CIII$λ$1909 lag in one quasar. Together with recently published data on CIV reverberation mapping, the BLR size is found to scale as the square root of the UV luminosity over eight orders of magnitude in AGN luminosity. There is a significant scatter in the relation, part of which may be intrinsic to the AGNs. Although the CIV line is probably less well suited than Balmer lines for determination of the mass of the black hole, virial masses are tentatively computed and in spite of a large scatter we find that the mass of the black hole scales as the square root of the UV luminosity.

연구 동기 및 목표

• 가장 광도가 높고 적색이 큰 quasars에 반향 맵핑을 확장하여, BLR 크기와 변동성 시간 상수의 크기가 큰 곳을 대상으로 한다.
• 낮은 광도 AGN에서 유도된 BLR 크기-광도 관계가 극단적인 광도(L_opt ≳ 10^46 erg s⁻¹)와 높은 적색이(z ≳ 0.5)에서도 유지되는지 테스트한다.
• 장기적인 광도 및 스펙트로스코픽 모니터링을 통해 고광도 quasars에서 연속광과 넓은 발광선(C IV, C III]) 간의 시간 지연을 측정한다.
• C IV 선이 질량 측정에 있어 알려진 한계가 있음에도 불구하고, 고광도 quasars에서 비르탈 질량 추정치의 신뢰성을 평가한다.

제안 방법

• 1997–2016년 기간 동안 Wise 관측소에서 11개의 고광도 quasars에 대해 B 및 R 대역에서 거의 20년간의 광도 모니터링을 수행하였다.
• 6개의 quasars에 대해 13년간의 스펙트로스코픽 모니터링을 수행하여 C IV λ1549 발광선과 연속광 간의 시간 지연을 측정하였다.
• 교차상관 기법(ICCF 및 ZDCF)을 적용하여 연속광(B 및 R 대역)과 발광선 빛의 변화 곡선 간의 시간 지연을 추정하였다.
• 모델 독립적 교차상관 및 모델 의존적 방법(JAVELIN, SPEAR 등)을 사용하여 시간 지연을 추론하였으며, 유의성과 불확실성에 대한 신중한 평가를 수행하였다.
• 광도 및 스펙트로스코픽 빛의 변화 곡선을 통합하여, 6개의 quasars에 대해 R 대역 데이터를 스펙트로스코픽 연속광 변화 곡선과 융합하였다.
• USNO-A2.0 목록의 비변동성 항성으로부터 magnitude를 校정하고, 매일의 관측값을 평균화하여 노이즈를 감소시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 광도 AGN에서 유도된 BLR 크기-광도 관계가 가장 광도가 높은 quasars(L_opt ≳ 10^46 erg s⁻¹)까지 확장되는가?
• RQ2 긴 시간 상수와 희박한 샘플링에도 불구하고, 고광도·고적색 quasars에서 자외선 연속광과 C IV 발광선 간의 시간 지연을 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ3 극단적인 광도에서 BLR 크기-광도 관계의 산란은 무엇이며, 그 중 어느 정도가 AGN 자체의 내재적 특성에 기인하는가?
• RQ4 C IV 선이 발레르 선에 비해 알려진 한계가 있음에도 불구하고, 고광도 quasars에서 C IV 선으로부터 비르탈 블랙홀 질량을 의미 있게 추정할 수 있는가?
• RQ5 고광도 quasars에서 파랑 및 빨간 연속광 대역 간의 시간 지연은 어떻게 비교되며, 이는 재처리 모델의 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 세 개의 고광도 quasars(SBS 1116+603, SBS 1425+606, S5 2017+744)에서 C IV λ1549 발광선과 자외선 연속광 간에 통계적으로 유의미한 시간 지연를 관측하였으며, 관측 기준으로 각각 -145⁺⁸⁵₋₆⁵, -264⁺³⁹₋₁₄₆, -87⁺⁶²₋₅⁸ 일의 지연를 보였다.
• 한 개의 quasar(S5 0014+81)에서 C III] λ1909 발광선과 연속광 간에 유의미한 시간 지연 -114⁺⁸⁹₋₂⁶ 일이 관측되었다.
• BLR 크기는 자외선 광도의 제곱근에 비례(R_BLR ∝ L^0.5)하며, 광도 범위가 8개의 차수에 걸쳐 일관되게 유지되었다. 이는 표준 관계와 일치한다.
• R_BLR–L 관계의 산란은 상당히 크며, BLR의 구조나 이온화 조건의 차이 등 quasars 간의 내재적 다양성에 기인할 가능성이 크다.
• C IV 선에서 유도된 비르탈 블랙홀 질량은 광도와 비례(M_BH ∝ L^0.5)하는 관계를 보였지만, 산란이 매우 크므로 고광도 AGN에서 C IV를 이용한 질량 추정에는 주의가 필요하다.
• 여러 물체에서(R_BLR ∝ L^0.5) R 대역 빛의 변화 곡선이 B 대역보다 뒤처지는 경향을 보였으며(예: SBS 1425+606, S5 2017+744), 이는 먼지 재처리 또는 열 지연에 의해 빨간 연속광이 파란 연속광보다 뒤처나는 재처리 모델의 예측과 일치한다.