[논문 리뷰] The growth and evolution of super massive black holes

S. S. Murray, R. Gilli외 20명|ArXiv.org|2009. 03. 30.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광역, 깊이 있는 X선 조사에 높은 감도와 넓은 탐지 범위를 갖춘 광역 X선 망원경(WFXT)을 사용하여 우주 시간 동안 초거대 블랙홀 성장 및 진화의 통계적 연구를 가능하게 하려고 주장한다. 수천 개의 AGN, 특히 콜로맨-두꺼운 및 고적색변위 원천을 탐지하고 변동성 모니터링을 가능하게 함으로써, WFXT는 블랙홀 형성, 피드백 및 기간 주기와 관련된 핵심 질문을 해결할 수 있다.

ABSTRACT

We discuss the central role played by X-ray studies to reconstruct the past history of formation and evolution of supermassive Black Holes (BHs), and the role they played in shaping the properties of their host galaxies. We shortly review the progress in this field contributed by the current X-ray and multiwavelength surveys. Then, we focus on the outstanding scientific questions that have been opened by observations carried out in the last years and that represent the legacy of Chandra and XMM, as for X-ray observations, and the legacy of the SDSS, as for wide area surveys: 1) When and how did the first supermassive black holes form? 2) How does cosmic environment regulate nuclear activity (and star formation) across cosmic time? 3) What is the history of nuclear activity in a galaxy lifetime? We show that the most efficient observational strategy to address these questions is to carry out a large-area X-ray survey, reaching a sensitivity comparable to that of deep Chandra and XMM pointings, but extending over several thousands of square degrees. Such a survey can only be carried out with a Wide-Field X-ray Telescope (WFXT) with a high survey speed, due to the combination of large field of view and large effective area, i.e., grasp, and sharp PSF. We emphasize the important synergies that WFXT will have with a number of future groundbased and space telescopes, covering from the radio to the X-ray bands and discuss the immense legacy value that such a mission will have for extragalactic astronomy at large.

연구 동기 및 목표

• 초거대 블랙홀(SMBH) 형성과 성장의 해결되지 않은 우주 역사, 특히 빅뱅 이후 10억 년 이내의 초기 시기의 문제를 다루기.
• 기존 조사의 한계를 극복하기 위해 깊이 있는 감도와 넓은 하늘 영역 커버리지 모두를 확보하여, 은폐된 원천과 고적색변위 원천을 포함한 전체 AGN 인구를 샘플링하기.
• 은하성 환경과 융합이 핵 활동을 유도하고 별 형성 조절에 어떤 역할을 하는지 조사하기.
• AGN 활동의 기간 주기, 특히 은폐된 상태와 드러난 상태 간 전이를 특성화하기.
• X선 변동성의 통계적 연구를 통해 우주의 시간 동안 블랙홀 질량과 질량 공급률을 추론하기.

제안 방법

• 넓은 효과적 면적(그라스프)과 넓은 시야, 날카로운 점원형 분포 함수(PSF)를 갖춘 망원경을 사용해 수천 평방도에 걸쳐 깊이 있는 감도를 확보하는 광역 X선 조사 제안.
• 반복 관측을 활용해 AGN의 X선 변동성을 모니터링하고, 수시간에서 수년에 이르는 시간 스케일에서 약 20%의 밝기 변화 감도 확보.
• 약 6.4 keV에서 나타나는 철 Kα 선(적색변위 z≥1에서 약 3 keV로 이동)을 분광학적 진단 도구로 사용해 콜로맨-두꺼운 AGN를 식별하고, 옵티컬 데이터 없이도 적색변위를 독립적으로 측정하기.
• X선 데이터를 다중파장 후속 관측(OPT, IR, 라디오)과 융합해 AGN 유형을 분류하고 은폐 정도를 결정하며, 주변 은하 성질을 연구하기.
• 미래의 옵티컬 조사(예: LSST, Pan-STARRS)와의 시너지를 활용해 X선 변동성과 옵티컬 임시 현상 및 시간 영역 현상을 교차 매칭하기.
• 기대되는 원천 수와 적색변위 분포를 모델링하여, 기존 및 제안된 미션(NuSTAR, Simbol-X, EXIST 등)과 비교해 WFXT의 통계적 능력을 입증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 우주의 첫 번째 초거대 블랙홀는 언제, 어떻게 형성되었으며, 빅뱅 이후 10억 년 이내에 빠르게 성장할 수 있었던 메커니즘은 무엇이었는가?
• RQ2 특히 은하 융합과 상호작용을 포함한 우주의 환경은 우주의 시간 동안 핵 활동과 별 형성 조절에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 은하의 수명 주기 동안 핵 활동의 전체 역사는 무엇이며, 기간 주기와 은폐된 상태 및 드러난 상태의 상대적 단계는 어떻게 되는가?
• RQ4 AGN의 X선 변동성은 블랙홀 질량과 질량 공급률과 얼마나 관련되어 있으며, 고적색변위에서 물리적 성질을 추론하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 z≥1에서의 진정한 콜로맨-두꺼운 AGN 인구는 얼마나 되며, 이들은 우주의 X선 배경에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• WFXT는 100 deg² 조사에서 약 10^5개의 AGN을 감지할 수 있으며, 밝기 변화 20% 감지가 가능한 감도로 통계적 연구에 유리한 조건을 제공한다.
• 기존에는 접근이 어려웠던 z≥1에서의 진정된 콜로맨-두꺼운 AGN의 통계적 표본을 제공하여 초거대 블랙홀 성장의 은폐 단계에 직접적인 통찰을 제공한다.
• 충분한 광자 통계를 확보한 약 10^5개의 AGN을 탐지해, 국소 AGN에서 관측된 스케일링 관계를 통해 블랙홀 질량과 질량 공급률을 추론할 수 있다.
• 우주 시간 동안 은하 중심부의 항성 역학을 연구하기 위해, 간섭 흡수 사건에서 발생하는 임시 X선 폭발을 식별할 수 있으며, 예상 탐지 빈도는 은하당 1년에 약 10^-5이다.
• 기존 및 제안된 미션(NuSTAR, EXIST, Simbol-X 등)과 비교해 WFXT는 넓은 탐지 범위와 큰 그라스프의 독특한 조합을 제공하여 고적색변위 및 은폐된 AGN에 대한 원천 통계에서 수십만 배 수준의 향상을 이룬다.
• 높은 적색변위, 강한 은폐된 AGN의 누락된 인구를 탐지함으로써 관측된 우주의 X선 배경과 알려진 AGN 인구 간의 괴리를 해결할 수 있다.