[논문 리뷰] VLT/ISAAC Spectra of the Hbeta Region in Intermediate-Redshift Quasars III. Hbeta Broad Line Profile Analysis and Inferences about BLR Structure

P. Marziani, J. W. Sulentic외 3명|ArXiv.org|2008. 12. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 5인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 중간 적색이동 퀘이사 53개의 VLT/ISAAC 스펙트럼을 분석하여 넓은 Hβ 선형형과 브로드 라인 영역(BLR)의 구조를 조사한다. 두 개의 상이한 집단을 식별한다: A집단은 대칭적이고 비르탈리아이즈드된 Hβ 선형형을 보이며, B집단은 적색이동된 매우 넓은 성분을 보이며, 이는 고광도, 저-Eddington 비율 시스템과 연결되며, 은하계의 유입 또는 산산조각 내림 과정과 관련이 있을 것으로 제안된다.

ABSTRACT

[Abridged] We present new VLT ISAAC spectra for 30 quasars, which we combine with previous data to yield a sample of 53 intermediate redshift (z ~ 0.9 - 3.0) sources. The sample is used to explore properties of prominent lines in the Hbeta spectral region of these very luminous quasars. We find two major trends: (1) a systematic increase of minimum FWHM Hbeta with luminosity (discussed in a previous paper). This lower FWHM envelope is best fit assuming that the narrowest sources radiate near the Eddington limit, show line emission from a virialized cloud distribution, and obey a well defined broad line region size vs. luminosity relation. (2) A systematic decrease of equivalent width of [OIII] (from W ~ 15 to ~ 1 A) with increasing source bolometric luminosity (from log L ~ 43 to log L ~ 49). Further identified trends required discrimination between so-called Population A and B sources. We generate median composite spectra in six luminosity bins Pop. A sources show reasonably symmetric Lorentzian Hbeta profiles at all luminosities while Pop. B sources require two component fits involving an unshifted broad and a redshifted very broad component. Very broad Hbeta increases in strength with increasing L while the broad component remains constant resulting in an apparent "Baldwin effect" with equivalent width decreasing from W ~ 80 to ~ 20 A over our sample luminosity range. The roughly constant equivalent width shown by the Hbeta very broad component implies production in optically-thick, photoionized gas. The onset of the redshifted very broad component appears to be a critical change that occurs near the Pop. A-B boundary at FWHM Hbeta ~ 4000 km/s which we relate to a critical Eddington ratio (~ 0.2 +/- 0.1).

연구 동기 및 목표

• 고신호대비비율, 중간 해상도 스펙트럼을 사용하여 중간 적색이동 퀘이사의 브로드 라인 영역(BLR)의 구조와 운동학을 조사하기 위해.
• 광도 범위가 넓은 범위(로그 L_bol ≈ 43–49)에서 Hβ 선형형의 형태를 식별하고 특성화하기 위해.
• Hβ 선형형의 형태, 광도, Eddington 비율 간의 관계를 탐색하고, 특히 적색이동된 매우 넓은 성분의 출현을 중심으로 하기 위해.
• 매우 넓은 성분이 광학적으로 두꺼운, 광이온화된 매질에서 기인한다는 가설을 검증하고, BLR 기하학과 은하계 물리학에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• A집단(대칭적, 비르탈리아이즈드)과 B집단(비대칭적, 적색이동된 매우 넓은 성분이 있는) 퀘이사 간의 물리적 구별을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 30개의 새로운 퀘이사에 대한 고신호대비비율 VLT/ISAAC 스펙트럼을 확보하고, 이전 데이터와 융합하여 중간 적색이동 퀘이사 53개의 샘플을 구성함(z ≈ 0.9–3.0).
• 신호대비비율을 극대화하고 본질적 선형형 경향을 드러내기 위해 여섯 개인 광도 구간에서 중앙값 복합 스펙트럼을 구축함.
• Hβ 선형형 형태에 따라 소스를 A집단과 B집단으로 분류: A집단은 대칭적이고 로렌츠형에 유사한 선형형을 보이며, B집단은 이중 성분 피팅이 필요하여, 이동하지 않은 넓은 성분과 적색이동된 매우 넓은 성분을 포함함.
• Hβ 성분의 전반적 폭(전반적 폭 반폭, FWHM)과 등가폭(W)을 측정하고, B집단에서의 겹침을 보정함.
• virial 방법을 사용하여 블랙홀 질량을 추정하고, 비르탈리아이즈드 운동을 가정하며, 볼로메트릭 광도와 M_BH로부터 Eddington 비율을 유도함.
• BLR 크기의 광도 의존성 검증을 위해 Kaspi 관계(R_BLR ∝ L^a)를 적용하고, 특히 낮은 FWHM 감도에 초점을 맞춤.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 적색이동 범위(z ≈ 0.9–3.0)에서 퀘이사 광도가 증가함에 따라 Hβ 브로드 라인 선형형의 형태는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 B집단 퀘이사에서 관측된 적색이동된 매우 넓은 성분을 유도하는 물리적 조건은 무엇이며, 그 강도는 광도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 A집단과 B집단을 분리하는 임계 Eddington 비율이 존재하는가? 이는 BLR 구조와 은하계 물리학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 왜 Hβ 브로드 성분의 등가폭은 광도 증가에 따라 감소하는가(Baldwin 효과), 반면 매우 넓은 성분의 등가폭은 거의 일정한가?
• RQ5 관측된 비대칭성과 매우 넓은 성분의 적색이동은 중력적 적색이동으로 설명될 수 있는가, 아니면 산산조각 내림 또는 유입과 같은 다른 메커니즘이 필요한가?

주요 결과

• Hβ 브로드 성분의 최소 FWHM는 볼로메트릭 광도 증가에 따라 체계적으로 증가하며, 비르탈리아이즈드, 디스크 유사 BLR 모델의 하한선과 일치하여, 가장 좁은 소스들이 Eddington 한계 근처에 있음을 시사한다.
• A집단 소스는 모든 광도에서 대칭적이고 로렌츠형에 유사한 Hβ 선형형을 보이며, 이는 디스크 유사 BLR 내의 비르탈리아이즈드 운동과 일치하며, 블랙홀 질량 범위는 약 4개의 상위 로그 단위(로그 M_BH ≈ 6–10)를 포함한다.
• B집단 소스는 이중 성분 피팅이 필요하며, 이는 이동하지 않은 넓은 성분(Hβ_BC)과 적색이동된 매우 넓은 성분(Hβ_VBC)을 포함한다. 이 성분의 광도 기여도는 광도 범위에서 약 25%에서 60%로 증가한다.
• Hβ_BC의 등가폭은 광도 증가에 따라 약 4배 감소(약 80 Å에서 약 20 Å로), 이는 '초 Baldwin 효과'를 나타내며, Hβ_VBC의 등가폭은 거의 일정하여 광학적으로 두꺼운 광이온화 매질에서 발생함을 시사한다.
• Hβ_BC의 FWHM는 Hβ_VBC의 넓이 증가를 보정한 후 광도 의존성이 없음을 확인하여, 두 집단 모두 일관된 블랙홀 질량 범위(로그 M_BH ≈ 6–10)를 가짐을 지지한다.
• FWHM(Hβ) ≈ 4000 km s⁻¹ 근처에서 임계 전이가 발생하며, 이는 Eddington 비율 약 0.2 ± 0.1에 해당하며, A집단(높은 Eddington 비율, 로그 L_bol/L_Edd ≈ -0.7에서 0.18)과 B집단(낮은 Eddington 비율, 로그 L_bol/L_Edd ≈ -1.1에서 -0.2)을 분리한다. B집단 소스의 80%가 로그 L_bol/L_Edd < -0.4를 가진다.