[논문 리뷰] A 3x10^9 solar mass black hole in the quasar SDSS J1148+5251 at z=6.41

Chris J. Willott, R. J. McLure외 1명|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|2003. 03. 03.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 20인용 수 171

한 줄 요약

이 논문은 적색이동 z=6.41인 고적색이동 퀘이사 SDSS J1148+5251의 근적외선 H 및 K밴드 스펙트로스코피를 제시하며, 보편적인 Mg ii λ2799 발광선을 검출하여 적색이동을 정밀하게 보정하고, 비르발 질량 추정기를 사용하여 블랙홀 질량 3×10⁹ M☉를 추정한다. 이 퀘이사는 이러한 초기 천체 시대에 블랙홀 질량에 비해 근접한 에딩턴 한계에서 복사하고 있음을 나타내어, 블랙홀의 극대적 질량 증식이 이루어지고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present near-infrared H and K-band spectra of the z=6.41 quasar SDSS J114816.64+525150.3. The spectrum reveals a broad MgII 2799 emission line with a full-width half-maximium of 6000 km/s. From the peak wavelength of this emission line we obtain a more accurate redshift than is possible from the published optical spectrum and determine a redshift of z=6.41+/-0.01. If the true peak of the Lyman alpha emission is at the same redshift, then a large fraction of the flux blueward of the peak is absorbed. The equivalent width of the MgII emission line is similar to that of lower redshift quasars, suggesting that the UV continuum is not dominated by a beamed component. Making basic assumptions about the line-emitting gas we derive an estimate for the central black hole in this quasar of 3x10^9 solar masses. The very high luminosity of the quasar shows that it is accreting at the maximal allowable rate for a black hole of this mass adopting the Eddington limit criterion.

연구 동기 및 목표

• 근적외선 스펙트로스코피를 사용하여 고적색이동 퀘이사 SDSS J1148+5251의 더 정확한 적색이동을 확보하기 위해.
• Mg ii 발광선의 폭과 빛의 세기를 사용하여 비르발 질량 추정기를 적용하여 블랙홀 질량을 결정하기 위해.
• 질량 추정에 영향을 줄 수 있는 비스듬한 방출 또는 중력 렌즈 효과로 인해 퀘이사의 빛의 세기가 증폭되었는지 평가하기 위해.
• 이러한 높은 질량과 초기 천체 시대를 고려할 때, 블랙홀이 에딩턴 한계에서 또는 그에 가까운 속도로 질량 증식하고 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 0.48 arcsec 슬릿과 약 500의 분辨력으로 UKIRT/UKIRT 이미저 스펙트로미터(UIST)를 사용하여 근적외선 H 및 K밴드 스펙트로스코피를 확보하였다.
• 스펙트럼은 F6 항성으로 광도 캘리브레이션을 수행하고, 아르곤 아크 램프로 파장 캘리브레이션을 하였으며, 슬릿을 따라 노딩 방식으로 천체 배경을 제거하였다.
• 정지 파장 2799 Å에서 넓은 Mg ii 발광선을 식별하고, 파wer-라인 연속, Fe ii 템플릿, 그리고 넓어진 가우시안 선형 프로파일을 사용하여 피팅하였다.
• 최적 피팅 모델에서 Mg ii 선의 반폭은 6000 km s⁻¹로 측정되었다.
• 블랙홀 질량는 비르발 질량 추정기를 사용하여 추정하였다: M_bh = 3.37 × (λL₃₀₀₀ / 10³⁷ W)^0.47 × (FWHM(Mg II) / km s⁻¹)^2.
• 에딩턴 빛의 세기를 관측된 복사 빛의 세기와 비교하기 위해, 복사 빛 보정 계수 7을 사용하여 질량 증식률을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼드라시스 SDSS J1148+5251의 정밀한 적색이동은 무엇이며, 이는 광학적 추정과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 SDSS J1148+5251의 중심 블랙홀 질량는 얼마이며, 이는 Mg ii 발광선으로부터 어떻게 유도되는가?
• RQ3 비스듬한 방출 또는 중력 렌즈 효과로 인해 퀘이사의 빛의 세기가 증폭되었는가? 이는 질량 추정에 편향을 줄 수 있는가?
• RQ4 블랙홀은 에딩턴 한계에서 또는 그에 가까운 속도로 질량 증식하고 있는가? 이는 초기 블랙홀 성장에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 넓은 Mg ii λ2799 발광선의 피크 파장에 기반하여, SDSS J1148+5251의 적색이동은 z = 6.41 ± 0.01로 정밀하게 보정되었다.
• Mg ii 발광선의 반폭은 6000 km s⁻¹로 측정되었으며, 이는 낮은 적색이동의 일반적인 퀘이사들과 일치한다.
• FWHM(Mg II)와 λL₃₀₀₀를 기반으로 비르발 질량 추정기를 사용하여 블랙홀 질량는 3×10⁹ M☉로 추정되었다.
• 관측된 3000 Å에서의 단색 빛의 세기는 λL₃₀₀₀ = 6.2×10³⁹ W이며, 복사 빛 보정 계수 7을 적용한 후 총 복사 빛의 세기는 4×10⁴⁰ W로 추정되었다.
• 이 퀘이사는 에딩턴 한계에서 복사하고 있으며, 4×10⁴⁰ W의 빛의 세기가 3×10⁹ M☉ 블랙홀에 대한 에딩턴 빛의 세기와 일치한다.
• Mg ii 선의 등가폭은 낮은 적색이동 퀘이사들과 유사하여, 자외선 연속선의 심한 비스듬한 방출 증폭이 없음을 나타내며, 질량 추정의 타당성을 뒷받침한다.