[논문 리뷰] Weighing Super-Massive Black Holes with Narrow Fe K$\alpha$ Line

Peng Jiang, Junxian Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 10.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 적외선 시간 지연을 통해 토러스의 반경을 측정함으로써, 유형 1 AGN에서의 좁은 Fe Kα 선이 내부 토러스에서 기인한다는 것을 제안한다; 그러나 관측된 선의 너비는 등방성 복사 조건에서 예상되는 것보다 2.6⁺⁰.⁹₋₀.⁴ 배 더 넓으며, 이는 두꺼운 디스크 기하학 또는 다른 영역으로부터의 오염을 시사한다. 이 방법과 기존의 블랙홀 질량 측정법 사이의 통계적 상관관계는 표본 크기와 불확도로 인해 제한적이다.

ABSTRACT

It has been suggested that the narrow cores of the Fe K$\alpha$ emission lines in Active Galactic Nuclei (AGNs) are likely produced in the torus, the inner radius of which can be measured by observing the lag time between the $V$ and $K$ band flux variations. In this paper we compare the virial products of the infrared time lags and the narrow Fe K$\alpha$ widths for 10 type 1 AGNs with the black hole masses from other techniques. We find the narrow Fe K$\alpha$ line width is in average 2.6$^{+0.9}_{-0.4}$ times broader than expected assuming an isotropic velocity distribution of the torus at the distance measured by the infrared lags. We propose the thick disk model of the torus could explain the observed larger line width. Another possibility is the contamination by emission from the broad line region or the outer accretion disk. Alternatively, the narrow iron line might originate from the inner most part of the obscuring torus within the sublimation radius, while the infrared emission from outer cooler part. We note the correlation between the black hole masses based on this new technique and those based on other known techniques is statistically insignificant. We argue that this could be attributed to the small sample size and the very large uncertainties in the measurements of iron K line widths. The next generation of X-ray observatories could help verify the origin of the narrow iron K$\alpha$ line and the reliability of this new technique.

연구 동기 및 목표

• AGN에서 좁은 Fe Kα 선이 블랙홀 질량을 측정하는 데 신뢰할 수 있는 도구로 사용될 수 있는지 테스트하는 것.
• 적외선 시간 지연으로 유도된 토러스의 내부 반경과 선 너비를 비교함으로써 좁은 Fe Kα 선의 기원을 조사하는 것.
• Fe Kα 선 너비에서 유도된 블랙홀 질량이 다른 기존 기법으로부터 유도된 질량과 일관된지 평가하는 것.
• 이 새로운 질량 추정 방법의 신뢰성에 영향을 미치는 불확도와 표본 크기의 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 10개의 유형 1 AGN에서 V-대역과 K-대역 광도 변화 간의 시간 지연을 측정하여 토러스의 내부 반경을 추정하는 것.
• X선 스펙트럼에서 좁은 Fe Kα 발광선의 너비를 측정하여 발광 물질의 속도 분산을 추론하는 것.
• 유도된 반경과 속도 너비의 비율을 다른 방법으로부터 유도된 블랙홀 질량과 비교하는 것.
• 시간 지연으로 유도된 반경에서 등방성 속도 분포 조건에서 Fe Kα 선 너비가 일치하는지 평가하는 것.
• 두꺼운 디스크 토러스 또는 브로드 라인 영역 또는 외부 원자력 디스크에서의 오염과 같은 대안 모델을 시험하는 것.
• Fe Kα에서 유도된 질량과 다른 기법에서 유도된 질량 간 상관관계의 통계적 유의성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN에서 좁은 Fe Kα 선은 적외선 시간 지연으로 유도된 반경에서 토러스에서 기인하는가?
• RQ2 시간 지연으로 유도된 반경에서 등방성 복사 조건에서 예상되는 것보다 관측된 Fe Kα 선 너비가 더 넓은 이유는 무엇인가?
• RQ3 토러스의 두꺼운 디스크 모델이 관측된 선 너비 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ4 Fe Kα 선이 브로드 라인 영역 또는 외부 원자력 디스크에서 오는 발광에 얼마나 오염되어 있는가?
• RQ5 기존 기법과 비교할 때 Fe Kα 선 너비 방법이 블랙홀 질량을 측정하는 데 얼마나 신뢰할 수 있는가?

주요 결과

• 좌절된 Fe Kα 선 너비는 평균적으로, 적외선 시간 지연으로 측정된 반경에서 등방성 속도 분포 조건에서 예상되는 것보다 2.6⁺⁰.⁹₋₀.⁴ 배 더 넓다.
• 관측된 선 너비 증가는 두꺼운 디스크 기하학의 토러스가 자연스럽게 비등방성 속도 분포를 생성할 수 있기 때문에 이를 설명할 수 있다.
• 기타 설명으로는 브로드 라인 영역 또는 외부 원자력 디스크에서의 발광에 의한 오염이 있다.
• Fe Kα 선 너비에서 유도된 블랙홀 질량과 다른 기법에서 유도된 질량 간 상관관계는 통계적으로 유의미하지 않으며, 이는 주로 표본 크기가 작고 측정 불확도가 크기 때문이다.
• 미래의 X선 관측 천체망원경은 선 너비 측정의 정밀도를 향상시켜 좁은 Fe Kα 선의 기원을 검증하는 데 기여할 것으로 기대된다.