[논문 리뷰] Accurate Black Hole Mass Measurements for Thermal AGNs and the Origin of the Correlations Between Black Hole Mass and Bulge Properties

C. M. Gaskell|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 08.

Advanced Measurement and Metrology Techniques참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 라인 폭 의존성을 포함한 향상된 스케일링 관계를 사용하여 유형-1 AGN에서 블랙홀 질량을 추정하는 Dibai 방법을 개선한다. 이로 인해 질량 추정의 산란이 ±0.15 dex로 감소한다. 개선된 방법은 블랙홀 질량이 증가함에 따라 $M_{\bullet}$–$L_{bulge}$ 상관관계의 산란이 감소함을 드러내며, 이는 SMBH–bulge 상관관계가 물리적 원인보다는 융합에 의한 평균화에 기인한다는 아이디어를 지지한다.

ABSTRACT

A simple refinement is proposed to the Dibai method for determining black hole masses in type-1 thermal AGNs. Comparisons with reverberation mapping black hole masses and host galaxy bulge properties suggest that the method is accurate to +/- 0.15 dex. Contrary to what was thought when the black hole mass - stellar velocity dispersion ("M - sigma") relationship was first discovered, it does not have a lower dispersion than the black hole mass - bulge luminosity ("M - L") relationship. The dispersion in the M - L relationship for AGNs decreases strongly with increasing black hole mass or bulge luminosity. This is naturally explained as a consequence of the black hole - bulge relationships being the result of averaging due to mergers. Simulations show that the decrease in dispersion in the M - L relationship with increasing mass is in qualitative agreement with being driven by mergers. The large scatter in AGN black hole masses at lower masses rules out significant AGN feedback. A non-causal origin of the correlations between black holes and bulges explains the frequent lack of supermassive black holes in late-type galaxies, and the lack of correlation of black hole mass with pseudo-bulges.

연구 동기 및 목표

• 유형-1 열 AGN에서 Dibai 방법의 개선된 버전을 사용하여 블랙홀 질량 측정의 정확도를 향상시키는 것.
• 관측된 $M_{\bullet}$–$L_{bulge}$ 및 $M_{\bullet}$–$\sigma_*$ 상관관계가 물리적 원인에 기인한 것인지, 아니면 은하 융합 중 통계적 평균화에 기인한 것인지 평가하는 것.
• AGN 피드백이 관측된 블랙홀–bulge 상관관계의 산란을 어떻게 형성하는지 평가하는 것.
• 클래식 bulge는 왜 $M_{\bullet}$–$L_{bulge}$ 상관관계가 뚜렷한 반면, 페시도-bulge는 그렇지 않은지 조사하는 것.
• 낮은 질량에서 관측된 $M_{\bullet}$–$L_{host}$ 상관관계의 산란이 상당한 피드백 또는 정밀 조정 메커니즘을 배제하는지 판단하는 것.

제안 방법

• 논문은 Gaskell(2010a)에서 유도된 경험적 관계를 기반으로 하여 추가적인 선폭 항을 포함한 수정된 Dibai 방법을 제안한다. 이는 $M_{\text{Dibai}} \propto \text{FWHM}^2 L^{0.5}$에서 더 정확한 스케일링 관계로 개선한다.
• 새로운 질량 추정기 $M_{\text{new}}$는 Vestergaard & Peterson(2006)의 반사 맵핑 질량을 사용하여 캘리브레이션되며, 질량 추정의 산란을 감소시킨다.
• 이 방법은 H$\beta$ 선의 FWHM과 AGN 빛의 세기를 입력으로 사용하며, 향상된 스케일링으로 상대적 산란이 원래 Dibai 방법의 ±0.37 dex에서 ±0.22 dex로 감소한다.
• 건조한 융합을 가정한 시뮬레이션을 통해 초기에 로그노멀 분포를 가진 $M_{\bullet}$과 $L_{\text{bulge}}$를 가진 은하의 융합을 모델링하며, 질량이 증가함에 따라 $M_{\bullet}/L_{\text{bulge}}$의 산란이 감소함을 보여준다.
• 시뮬레이션은 블랙홀 질량과 항성 빛의 세기의 초기 분포가 상호 독립적이라고 가정하며, 산란은 융합 단위 수 $n$에 대해 $n^{-1/2}$ 비율로 감소한다.
• 모델은 관측된 $M_{\bullet}$–$L_{host}$ 산란과 비교하여, 융합에 의한 평균화와의 일관성을 평가하기 위해 관측 데이터와 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Dibai 방법을 개선하여 산란을 줄이고 정확도를 높일 수 있는가?
• RQ2 관측된 $M_{\bullet}$–$L_{bulge}$ 상관관계의 산란은 본질적인 것인가, 측정 오차나 선택 효과에 기인한 것인가?
• RQ3 높은 질량에서 $M_{\bullet}$–$L_{host}$ 상관관계의 산란 감소는 상관관계의 융합 기원을 지지하는가?
• RQ4 관측된 $M_{\bullet}$–$\sigma_*$ 및 $M_{\bullet}$–$L_{bulge}$ 상관관계는 물리적 원인이 아니라 은하 융합 중 통계적 평균화로 설명될 수 있는가?
• RQ5 낮은 질량 AGN에서의 큰 산란은 상당한 AGN 피드백이나 블랙홀 질량 성장에 대한 정밀 조정 메커니즘을 배제하는가?

주요 결과

• 개선된 Dibai 방법은 반사 맵핑 질량과 비교할 때 블랙홀 질량 추정의 산란을 ±0.15 dex로 줄여 정확도를 크게 향상시킨다.
• 이전에 $M_{\bullet}$–$\sigma_*$ 발견 시점에 가정된 바와는 달리, $M_{\bullet}$–$L_{bulge}$ 상관관계의 산란은 $M_{\bullet}$–$\sigma_*$ 상관관계의 산란보다 작지 않다.
• $M_{\bullet}$–$L_{host}$ 상관관계의 산란은 블랙홀 질량 또는 bulge 빛 세기가 증가함에 따라 뚜렷하게 감소하며, 이는 융합에 의한 평균화와 일치한다.
• 시뮬레이션 결과는 질량이 증가함에 따라 산란 감소가 융합 가설과 정성적으로 일치함을 보여주며, 초기 분포가 비정규분포(로그노멀)일 경우에도 마찬가지다.
• 낮은 질량에서의 큰 산란은 상당한 AGN 피드백이 산란을 감소시키는 메커니즘이 될 수 없음을 시사한다. 그러한 피드백은 관측된 경향을 만들어내기 위해 매우 정밀하게 조정되어야만 한다.
• 이 모델은 왜 클래식 bulge는 $M_{\bullet}$–$L_{bulge}$ 상관관계가 뚜렷한 반면, 페시도-bulge는 그렇지 않은지 설명한다. 클래식 bulge는 융합을 통해 형성되는 반면, 페시도-bulge는 순차적 과정을 통해 성장한다.