[논문 리뷰] The CaFe Project: Optical FeII and Near-Infrared Ca II triplet emission in active galaxies. II. The driver(s) of the Ca II and Fe II and its potential use as a chemical clock

Mary Loli Martínez‐Aldama, Swayamtrupta Panda외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 18.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 115인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 활성은하핵(AGN)에서의 광학적 Fe ii 및 근적외선 Ca ii 삼중선(CaT) 발광선 간의 관측된 상관관계의 주요 원인을 규명하기 위해 수행된다. 밝기 제한 샘플을 대상으로 주성분 분석(PCA)과 부트스트랩 재표본화를 활용하여, 에딩턴 비율이 Fe ii/CaT 발광율 비율의 주요 동력원임을 규명하였으며, 이 비율은 최근의 별 형성과 관련된 α 원소를 포함한 금속 농도 향상과 관련된 화학적 시계로 기능한다. Fe ii/CaT 비율은 에딩턴 비율이 증가할수록 감소하며, 이는 중간 적색편이 AGN에서 금속 농도 향상이 일어나고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this second paper in the series, we carefully analyze the observational properties of the optical FeII and NIR CaII triplet in Active Galactic Nuclei, as well as the luminosity, black hole mass, and Eddington ratio in order to define the driving mechanism behind the properties of our sample. The CaII shows an inverse Baldwin effect, bringing out the particular behavior of this ion with respect to the other low-ionization lines such as H$\beta$. We performed a Principal Component Analysis, where 81.2% of the variance can be explained by the first three principal components drawn from the FWHMs, luminosity, and equivalent widths. The first principal component (PC1) is primarily driven by the combination of black hole mass and luminosity with a significance over 99.9%, which in turn is reflected in the strong correlation of the PC1 with the Eddington ratio. The observational correlations are better represented by the Eddington ratio, thus it could be the primary mechanism behind the strong correlations observed in the CaII-FeII sample. Since calcium belongs to the $\alpha$-elements, the FeII/CaII flux ratio can be used as a chemical clock for determining the metal content in AGN and trace the evolution of the host galaxies. We confirm the de-enhancement of the ratio FeII/CaII by the Eddington ratio, suggesting a metal enrichment of the BLR in intermediate-$z$ with respect to low-$z$ objects. A larger sample, particularly at $z$>2, is needed to confirm the present results.

연구 동기 및 목표

• AGN에서 관측된 Fe ii 및 Ca ii 삼중선(CaT) 발광선 간 상관관계의 주요 물리적 원인을 규명하는 것.
• Fe ii/CaT 발광율 비율이 AGN의 금속 농도 및 별 형성 역사를 추적하는 신뢰할 수 있는 화학적 시계로 기능할 수 있는지 평가하는 것.
• 빛의 세기, 블랙홀 질량, 또는 에딩턴 비율 중 어느 것이 관측된 Fe ii 및 CaT 발광 특성의 변동성을 가장 잘 설명하는지 규명하는 것.
• 부트스트랩 재표본화와 PCA를 활용하여 관측된 상관관계의 통계적 탄력성을 평가하고 주요 물리적 원인을 분리하는 것.
• Fe ii/CaT 비율이 AGN의 화학적 진화 모델, 특히 초신성 Ia에서 유래한 α 원소 농도 향상과 관련하여 갖는 의미를 탐구하는 것.

제안 방법

• 관측 가능한 양(전체 폭 반폭(FWHM), 빛의 세기, Fe ii 및 CaT 발광선의 등가광도(EW))에 대해 주성분 분석(PCA)을 수행한다.
• 관측된 상관관계의 통계적 유의성과 신뢰성을 평가하기 위해 부트스트랩 재표본화를 활용하며, 특히 가짜 양성률(이 경우 50%)을 고려한다.
• PCA에서 유도된 첫 네 개의 고유벡터를 볼로메트릭 빛의 세기, 블랙홀 질량, 에딩턴 비율, Fe ii/CaT 발광율 비율, 금속 농도 지표와 상관시킨다.
• CaT에서의 역 볼드윈 효과(등가광도와 빛의 세기 사이의 양의 상관관계)와 Hβ에서의 표준 볼드윈 효과(등가광도와 빛의 세기 사이의 음의 상관관계)를 비교하여 이온화 행동의 차이를 부각한다.
• 적색편이 및 에딩턴 비율과의 Fe ii/CaT 비율 비교를 통해 금속 농도 및 별 형성 역사를 반영하는 진화 경향을 추론한다.
• 금속 농도, 밀도, 이온화 파ameter가 변화하는 조건에서 관측된 선 비율의 물리적 일관성을 검증하기 위해 광이온화 모델(CLOUDY v17.01)을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛의 세기, 블랙홀 질량, 또는 에딩턴 비율 중 어느 것이 AGN에서 관측된 Fe ii와 CaT 발광 간 상관관계를 가장 강하게 이끄는가?
• RQ2 Fe ii/CaT 발광율 비율이 AGN의 금속 농도 및 별 형성 역사를 추정하는 데 신뢰할 수 있는 화학적 시계로 기능할 수 있는가?
• RQ3 에딩턴 비율이 Fe ii/CaT 비율에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 광역영역의 화학적 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 Fe ii/CaT와 적색편이 간의 관측된 상관관계는 통계적으로 유의미한가, 그리고 이는 최근의 α 원소 농도 향상을 시사하는가?
• RQ5 비 농도 매개변수(예: 밀도, 미세 turbulence)가 Fe ii/CaT 비율에 얼마나 큰 영향을 미치며, 이는 금속 농도 지표로서의 사용에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 에딩턴 비율은 관측된 Fe ii–CaT 샘플의 상관관계에 대한 주요 동력원이며, 첫 번째 주성분(PC1)이 블랙홀 질량과 빛의 세기 의존성으로 인해 분산의 >99.9%를 설명하며 유의미한 결과를 보였다.
• Ca ii 삼중선은 역 볼드윈 효과를 보이며(등가광도와 빛의 세기 사이의 양의 상관관계), Hβ에서 관측되는 표준 볼드윈 효과와 대비되어 이온화 및 역학적 행동의 차이를 시사한다.
• Fe ii/CaT 발광율 비율은 에딩턴 비율과 유의미한 음의 상관관계를 보이며(부트스트랩 분 析에서 p < 0.05), 이는 높은 질량 공급률이 Fe/Ca 농도 비율 감소와 관련되어 있음을 시사한다.
• Fe ii/CaT 비율은 적색편이가 증가할수록 감소하며, 이는 중간 적색편이(z ≈ 1–2)에서 Ca와 같은 α 원소가 철보다 상대적으로 증가한 것으로 보이며, 최근의 별 형성 또는 제2세대 별 폭발과 일치한다.
• PCA 결과는 주요 고유벡터와 Fe ii/CaT 비율 간 강한 상관관계를 보이며, 금속 농도(특히 [Fe/Ca])가 샘플에서 핵심적인 물리적 동력원임을 확인한다.
• 이 연구는 빛의 세기, 블랙홀 질량, 또는 적색편보다도 에딩턴 비율이 관측된 상관관계를 더 잘 설명함을 확인하였으며, 이는 에딩턴 비율이 주요 물리적 동력원으로서의 역할을 뒷받침한다.