[논문 리뷰] The Hot and Energetic Universe: Understanding the build-up of supermassive black holes and galaxies at the heyday of the Universe

A. Georgakakis, F. J. Carrera외 20명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 10.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 1인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 아테나+ X선 천체망원경이 우주의 '성년기'(z=1–4) 동안 초거대 블랙홀과 은하의 상호진화를 혁신적으로 밝힐 수 있음을 제안한다. 고성능 X선 분광법과 광역 영상 기술을 활용해 아테나+는 AGN 피드백을 탐지하기 위해 블루시프트 흡수선을 탐지하고, 특히 콘프턴 두른 소스를 포함해 최대 100배 더 많은 은폐된 AGN를 식별함으로써 블랙홀 성장과 은하 진화의 핵심 불확실성을 해결할 수 있다.

ABSTRACT

Observations in the last decade have provided strong evidence that the growth of supermassive black holes at the centres of galaxies is among the most influential processes in galaxy evolution. Open questions that relate to our current understanding of black hole growth and its relation to the build-up of galaxies at redshifts z=1-4, when most black holes and stars we see in present-day galaxies were put in place, include: what is the nature of AGN feedback and whether it plays a significant role in the evolution of galaxies? what is the dominant population of accreting AGN at that critical epoch? is it dominated by obscured objects as required by many current observations and models? The Athena+ mission concept will provide the technological leap required for a breakthrough in our understanding of AGN and galaxy evolution at the heyday of the Universe. The high throughput of Athena+ will allow the systematic study of the incidence, nature and energetics of AGN feedback processes to z~4 via the identification and measurement of blue-shifted X-ray absorption lines. The excellent survey and spectral capabilities of the Athena+ Wide Field Imager will complete the census of black hole growth by yielding samples of up to 100 times larger than is currently possible of the most heavily obscured, including Compton thick, AGN to redshifts z~4. The demographics of this population relative to their hosts is fundamental for understanding how major black hole growth events relate to the build-up of galaxies.

연구 동기 및 목표

• 초거대 블랙홀과 항성 형성의 정점이었던 시기(자기계수 z=1–4) 동안 AGN 피드백이 은하 진화에 미치는 역할에 대한 열린 질문을 해결한다.
• 고적색도에서 주로 활동하는 AGN의 주요 인구, 특히 은폐된 콘프턴 두른 AGN가 질량 축적 예산을 지배하는지 규명한다.
• 기존 조사의 한계를 넘어서 흐린, 심하게 은폐된 AGN를 탐지함으로써 블랙홀 성장의 완전한 인벤토리를 확보한다.
• AGN와 그 은하 환경 간의 민족학적 연관성을 설정하여 공진화 과정을 이해한다.
• 우주의 시간에 걸쳐 블루시프트 X선 흡수선을 통한 AGN 피드백 에너지학의 체계적 연구를 가능하게 한다.

제안 방법

• 아테나+의 고성능 X선 분광법을 활용해 AGN의 유동 기체에 대한 직접적 지표인 블루시프트 X선 흡수선을 탐지하고 측정한다.
• 아테나+의 광역 영상기(WFI)를 활용해 깊고 넓은 천구 영역의 X선 천문 조사를 수행하여 z~4까지의 희귀하고 심하게 은폐된 AGN를 탐지한다.
• 스펙트럼 해상도와 고감도를 조합해 현재 대부분의 조사에서 빠지는 콘프턴 두른 AGN를 식별하고 특성화한다.
• AGN 샘플의 통계 분석을 통해 은폐된와 은폐되지 않은 AGN의 비율과 적색도에 따른 변화를 규명한다.
• AGN의 특성(광도, 은폐도, 유동 속도)과 은하 환경의 특성 간 상관관계를 분석해 공진화 경향을 평가한다.
• 기존의 깊은 X선 조사(예: XMM-COSMOS, 찬드라 딥 필드)를 아테나+ 조사 설계와 기대 수확량의 기준점으로 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=1–4에서 AGN 피드백의 성격과 은하 진화에 미치는 영향은 무엇이며, 항성 형성을 조절하는가?
• RQ2 z=1–4에서 초거대 블랙홀의 질량 축적이 은폐된 AGN, 특히 콘프턴 두른 소스에 의해 지배되는가?
• RQ3 고적색도에서 AGN의 민족학적 특성(광도, 은폐도, 유동 특성)은 그 은하 환경의 특성과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 은폐된 AGN의 전체 인벤토리에 비추어 블랙홀 성장과 은하 진화 모델는 어느 정도 수정이 필요한가?
• RQ5 블루시프트 X선 흡수선은 우주의 시간에 걸쳐 AGN 유동과 피드백 에너지학을 신뢰할 수 있는 지표로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 아테나+는 AGN 유동에서 블루시프트 X선 흡수선을 탐지함으로써 AGN 피드백이 실제로 작용하고 있음을 직접적으로 입증할 수 있다.
• 아테나+의 광역 영상기는 현재의 조사 대비 탐지 가능한 AGN의 수를 최대 100배 증가시킬 것이며, 특히 심하게 은폐된 및 콘프턴 두른 소스에 대해 유의미하다.
• 이 미션은 z~4에서 블랙홀 성장의 완전한 인벤토리를 확보하여 오랫동안 지속된 고적색도 조사에서 은폐된 AGN가 누락되는 문제를 해결할 것이다.
• X선 분광법을 통해 AGN 피드백의 빈도와 에너지학을 측정함으로써 아테나+는 거대 은하에서 항성 형성을 억제하는 데서 피드백의 역할을 정량화할 수 있다.
• 고감도와 스펙트럼 해상도의 조합을 통해 z~4까지의 AGN의 은폐도 함수와 광도 함수를 정밀하게 규명할 수 있다.
• 아테나+의 데이터는 AGN 특성과 은하 질량, 항성 형성률, 형상 간의 통계적 연구를 가능하게 하여 공진화 모델의 발전을 이끌 것이다.