[논문 리뷰] Weighing black holes from zero to high redshift

A. Marconi, D. J. Axon외 5명|ArXiv.org|2008. 09. 02.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 넓은선 영역 구름에 작용하는 복사압력을 고려하여 비르יאל 블랙홀 질량 추정치를 보정한다. 이는 복사압력을 忽시할 경우 추정되는 블랙홀 질량을 상당히 감소시킬 수 있음을 시사한다. 저자들은 고광도 상태에서 복사압력이 넓은선 영역를 탈구속시킬 수 있음을 보여주며, 이는 활성은하핵에서 표준 비르יאל 질량 추정치의 타당성을 도전하며, 고적색편이를 가진 많은 활성은하핵이 중력적으로 구속된 넓은선 영역을 갖지 않을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The application of the virial theorem provides a tool to estimate supermassive black hole (BH) masses in large samples of active galactic nuclei (AGN) with broad emission lines at all redshifts and luminosities, if the broad line region (BLR) is gravitationally bound. In this paper we discuss the importance of radiation forces on BLR clouds arising from the deposition of momentum by ionizing photons. Such radiation forces counteract gravitational ones and, if not taken into account, BH masses can be severely underestimated. We provide virial relations corrected for the effect of radiation pressure and we discuss their physical meaning and application. If these corrections to virial masses, calibrated with low luminosity objects, are extrapolated to high luminosities then the BLRs of most quasars might be gravitationally unbound. The importance of radiation forces in high luminosity objects must be thoroughly investigated to assess the reliability of quasar BH masses.

연구 동기 및 목표

• 넓은선 영역 구름에 작용하는 복사압력을 고려하지 않을 경우 발생하는 활성은하핵 내 블랙홀 질량의 체계적 과소평가 문제를 다루기 위해.
• 적색편이와 광도에 걸쳐 적용 가능한 복사압력 보정을 포함한 비르יאל 질량 추정치를 校정하기 위해.
• 고광도 활성은하핵에서 넓은선 영역이 중력적으로 구속되어 있다는 비르엘 정리의 가정이 타당한지 평가하기 위해.
• 고적색편이 및 고광도 상태에서 표준 일시 측정 및 반응 지연 맵핑 질량 추정치가 여전히 신뢰할 수 있는지 평가하기 위해.
• 복사압력이 중력보다 지배적이게 되는 임계 광도를 규명하기 위해.

제안 방법

• 비르엘 관계를 보정하는 식(식 1)을 유도하며, 이는 넓은선 영역 구름이 경험하는 효과적 중력 포텐셜을 수정한다.
• 이온화 광자에 의한 운동량 투입 기반으로, 광도에 비례하고 구름의 열역학적 밀도의 역수에 비례하는 복사압력 보정 항을 도입한다.
• 반응 지연 맵핑 데이터를 이용한 국지적 활성은하핵을 활용하여 보정된 비르엘 질량 추정치를 校정하며, M_BH–σ 관계와의 일관성을 확보한다.
• 보정된 관계를 대규모 SDSS 활성은하핵 샘플(Shen et al. 2008)에 적용하여 적색편이 및 광도에 따른 질량 보정을 평가한다.
• R_BLR–L 관계를 이용해 넓은선 영역 반경을 추정하고, 선폭 측정치와 결합하여 복사압력 보정 유무에 따라 비르엘 질량을 계산한다.
• 복사압력가 중력과 균형을 이루는 임계 광도 L*에서 광도를 비교함으로써 Eddington 비율 분포와 넓은선 영역의 구속 조건을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온화 광자로부터 기인하는 복사압력은 비르엘 질량 추정치에서 추정되는 블랙홀 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고광도 활성은하핵에서 비르엘 질량 추정치에 대한 복사압력 보정의 크기는 저광도 활성은하핵에 비해 얼마나 큰가?
• RQ3 어느 광도에서 복사압력이 넓은선 영역를 탈구속시키기에 충분히 강해지며, 중력 구속의 기본 가정을 위반하는가?
• RQ4 보정된 비르엘 질량은 고적색편이 활성은하핵에서 관측된 Eddington 비율 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 복사압력을 포함할 경우 현재의 일시 측정 및 반응 지연 맵핑 질량 추정치가 얼마나 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 복사압력 보정은 넓은선 영역 구름이 경험하는 효과적 중력 포텐셜을 감소시켜, 반응 지연 맵핑에서 표준 추정치에 비해 약 ~2배 작은 비르엘 인자 f를 초래한다.
• 중간 광도(L ~ 10^11 L_sun) 및 중간 열역학적 밀도(N_H ~ 10^23 cm^-2) 조건에서 복사압력 보정은 약 ~2.7 × 10^7 M_sun에 이르며, 일반적인 세이펨트 은하핵의 블랙홀 질량과 유사하다.
• L > 10^12 L_sun인 고적색편이 활성은하핵에서는 복사압력 보정이 비르엘 항을 지배하여, 블랙홀 질량이 비르엘 곱이 아닌 광도에 선형적으로 비례하게 된다.
• 고광도 활성은하핵에서 Eddington 비율 분포는 L/L_Edd ~ 0.15에서趋기하여, 이 광도에서 넓은선 영역가 중력 탈구속에 가까워지고 있음을 시사한다.
• 고광도 활성은하핵의 상당수는 넓은선 영역가 잠재적으로 탈구속 상태인 영역(L = L_Edd에서 L = L* 사이)에 위치해 있어, 표준 비르엘 질량 추정치의 타당성을 도전한다.
• 분석 결과, FWHM < 10,000 km/s이고 L > 10^12 L_sun인 많은 활성은하핵이 복사압력이 중력을 균형 잡는 임계 광도 L* 근처에 위치해 있으며, 이는 이러한 소스에서 비르엘 가정의 근본적 붕괴를 시사한다.