[논문 리뷰] Zooming into the broad line region of the gravitationally lensed quasar Q2237+0305 = the Einstein Cross: III. Determination of the size and structure of the CIV and CIII] emitting regions using microlensing

Dominique Sluse, Robert W. Schmidt외 7명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 13.

Adaptive optics and wavefront sensing참고 문헌 5인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 중력 렌즈 효과를 겪는 활성은하핵 QSO 2237+0305(아인슈타인 크로스)에서 미크로렌즈 효과를 이용하여 C IV 및 C III] 광원선 영역의 크기와 구조를 측정한다. 39개의 스펙트로포토메트릭 모니터링 데이터 포인트를 분석하고 시뮬레이션된 미크로렌즈 광도곡선에 베이지안 모델링을 적용함으로써, C IV 발광 영역의 반광도 반경은 66⁺¹⁰⁻⁴⁶ 일간(0.06⁺⁰.⁰⁹⁻⁰.⁰⁴ pc)으로 측정되었으며, 이는 반경-광도 관계와 일치하며 블랙홀 질량 10⁸.³⁺⁰.³ M☉를 도출한다.

ABSTRACT

We aim to use microlensing taking place in the lensed quasar Q2237+0305 to study the structure of the broad line region and measure the size of the region emitting the CIV and CIII] lines. Methods: Based on 39 spectrophotometric monitoring data points obtained between Oct. 2004 and Dec. 2007, we derived lightcurves for the CIV and CIII] emission lines. We used three different techniques to analyse the microlensing signal. Different components of the lines (narrow, broad and very broad) are identified and studied. We built a library of simulated microlensing lightcurves that reproduce the signal observed in the continuum and in the lines provided only the source size is changed. A Bayesian analysis scheme is then developed to derive the size of the various components of the BLR. Results: 1. The half-light radius of the region emitting the CIV line is found to be R_CIV ~ 66^{+110}_{-46} lt-days = 0.06$^{+0.09}_{-0.04}$ pc = 1.7$^{+2.8}_{-1.1}$\,10$^{17}$ cm (at 68.3% CI). Similar values are obtained for CIII]. Relative sizes of the carbon-line and V-band continuum emitting-regions are also derived with median values of R(line)/R(cont) in the range 4 to 29, depending of the FWHM of the line component. 2. The size of the CIV emitting region agrees with the Radius-Luminosity relationship derived from reverberation mapping. Using the virial theorem we derive the mass of the black hole in Q2237+0305 to be M_BH ~ 10^{8.3+/-0.3} M_sun. 3. We find that the CIV and CIII] lines are produced in at least 2 spatially distinct regions, the most compact one giving rise to the broadest component of the line. The broad and narrow line profiles are slightly different for CIV and CIII]. 4. Our analysis suggests a different structure for the CIV and FeII+III emitting regions, with the latter produced in the inner part of the BLR or in a less extended emitting region than CIV.

연구 동기 및 목표

• 미크로렌즈를 이용하여 고광도 은하핵 QSO 2237+0305의 광역선 영역(BLR)의 물리적 크기와 구조적 복잡성을 측정한다.
• 선형 프로파일 전역에 걸친 차별적 미크로렌즈를 분석하여 C IV 및 C III] 발광 성분의 공간 분포를 규명한다.
• 반사 맵핑에서 유도된 반경-광도 관계와 측정된 BLR 크기의 일관성을 시험한다.
• 비틀림 정리와 미크로렌즈로 유도된 크기 추정치를 이용하여 블랙홀 질량을 추론한다.
• 다른 이온화 상태(예: C IV 대비 Fe II+III)가 BLR 내부에서 공간적으로 구분된 영역에서 기인하는지 조사한다.

제안 방법

• 2004년 10월부터 2007년 12월까지 아인슈타인 크로스의 39개 스펙트로포토메트릭 모니터링 데이터 포인트를 확보하여 시간에 따라 변화하는 발광선 광도곡선을 구축한다.
• 세 가지 독립된 기법을 사용하여 미크로렌즈 신호를 분석한다: 속도 슬라이스 간의 차별 광도곡선, 가우시안 성분으로의 분해, 시뮬레이션된 미크로렌즈 광도곡선과의 비교.
• 반광도 반경을 추정하기 위해 시뮬레이션된 미크로렌즈 광도곡선을 사용하는 베이지안 분석 프레임워크를 개발한다. 이 광도곡선은 오직 소스 크기만 변화한다.
• 다양한 FWHM(예: C IV의 경우 날카럽게: 약 2600 km s⁻¹, 넓게: 약 6300 km s⁻¹; C III]의 경우 세 성분)를 가진 가우시안 성분의 합으로 발광선을 모델링하여 공간적으로 구분된 발광 영역을 분리한다.
• 비틀림 정리를 사용하여 측정된 BLR 크기와 선폭을 바탕으로 블랙홀 질량을 유도한다. 이때 비틀림 평형을 가정한다.
• 다른 선 성분 간의 미크로렌즈 진폭을 비교하여 상대적인 크기와 공간적 구조를 추론한다. 더 강한 미크로렌즈 신호는 더 컴팩트한 발광 영역을 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QSO 2237+0305의 C IV 및 C III] 광역선 영역의 물리적 크기는 미크로렌즈에 의해 어떻게 제약을 받는가?
• RQ2 C IV 및 C III] 발광선은 공간적으로 구분된 영역에서 생성되는가? 만약 그렇다면, 크기와 운동학적 특성은 어떻게 다를까?
• RQ3 발광선의 다양한 속도 성분 전역에서 미크로렌즈 신호가 체계적으로 변하는가? 이는 BLR 기하학에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 C IV 및 Fe II+III 발광 영역의 크기를 비교하면 어떻게 되며, 이는 이들이 BLR 내부에서 어느 위치에 있는지를 시사하는가?
• RQ5 측정된 BLR 크기는 반사 맵핑에서 유도된 반경-광도 관계와 일치하는가? 이는 블랙홀 질량에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• C IV 발광 영역의 반광도 반경은 66⁺¹⁰⁻⁴⁶ 일간(0.06⁺⁰.⁰⁹⁻⁰.⁰⁴ pc)으로 측정되었으며, 68.3% 신뢰구간을 포함한다.
• C III] 발광 영역의 크기는 C IV 영역과 유사하여, 고이온화 선들 간의 공간적 범위가 유사함을 시사한다.
• 선 발광 영역 크기와 V-대역 연속기 크기의 비율은 선 성분의 FWHM에 따라 4에서 29 사이로 변동하며, 더 넓은 성분은 더 컴팩트한 영역에서 기인함을 나타낸다.
• C IV 및 C III] 선들은 적어도 두 개의 공간적으로 구분된 성분에서 기인한다: 컴팩트하고 넓은 성분, 그리고 더 넓은 범위의 좁은 성분이며, 가장 넓은 성분에서 가장 강한 미크로렌즈 신호를 보인다.
• Fe II+III 발광은 강한 미크로렌즈 신호를 보이지만 확장된 성분은 없으며, 이는 내부에서 가장 컴팩트한 BLR 영역에서 기인함을 시사한다.
• 비틀림 정리를 통해 유도된 블랙홀 질량은 M_BH ~ 10⁸.³⁺⁰.³ M☉이며, 반경-광도 관계와 일치하며, 미크로렌즈 크기 측정 결과와도 일치한다.