[論文レビュー] Cosmic X-ray Surveys of Distant Active Galaxies: The Demographics, Physics, and Ecology of Growing Supermassive Black Holes

W. N. Brandt, D. M. Alexander|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 45被引用数 134

ひとこと要約

この論文は、15年間にわたりチャンドラ、XMM-ニュートン、NuSTARを用いた宇宙X線サーベイをレビューし、遠方の活動銀河核（AGN）の理解を進める。成長中の超大質量ブラックホールの人口統計、物理的性質、環境的相互作用を明らかにした。X線サーベイが、X線の透過性、宿主銀河による混合の低さ、強力なAGNの特徴により、遮蔽されたおよび高赤方偏移のAGNを検出するのに特に優れていることが示された。これにより、宇宙の歴史を通じてSMBH成長のほぼ完全な集計が可能になった。

ABSTRACT

We review results from cosmic X-ray surveys of active galactic nuclei (AGNs) over the past ~ 15 yr that have dramatically improved our understanding of growing supermassive black holes in the distant universe. First, we discuss the utility of such surveys for AGN investigations and the capabilities of the missions making these surveys, emphasizing Chandra, XMM-Newton, and NuSTAR. Second, we briefly describe the main cosmic X-ray surveys, the essential roles of complementary multiwavelength data, and how AGNs are selected from these surveys. We then review key results from these surveys on the AGN population and its evolution ("demographics"), the physical processes operating in AGNs ("physics"), and the interactions between AGNs and their environments ("ecology"). We conclude by describing some significant unresolved questions and prospects for advancing the field.

研究の動機と目的

• 15年間にわたる宇宙X線サーベイの成果を統合し、遠方の活動銀河核（AGN）の人口統計、物理的性質、環境的要因を明らかにすること。
• X線サーベイが、特に高赤方偏移および重度に遮蔽された環境においてAGNを検出する上で持つ独自の利点を確立すること。
• 多波長データがAGN選別に果たす役割を評価し、光学・紫外線ベースのAGN同定の限界を検討すること。
• アテナ、ヘックス・ピー、スマート・エックス、WFXTなどの次世代X線ミッションの能力を評価し、AGN科学の前進に寄与する可能性を検討すること。
• 超大質量ブラックホールの成長と進化を理解する上で未解決の問題と今後の展望を特定すること。

提案手法

• チャンドラ、XMM-ニュートン、NuSTARの深宇宙X線サーベイを用い、宇宙の歴史を通じてAGNを検出し特徴づける。
• 光学、赤外、電波などの多波長観測データと組み合わせ、遮蔽されたり高赤方偏移にある環境のAGNを同定・分類する。
• X線スペクトル解析を用いて、固有X線放射度、吸収密度（NH）、フォトン指数（Γ）、リフレクション特徴などの主要なAGN特性を測定する。
• X線の硬さ比とスペクトルエネルギー分布のモデリングを用い、遮蔽されていないAGNと遮蔽されたAGN（コンプトン厚い系を含む）を区別する。
• 将来的なX線ミッション（例：アテナ、WFXT、ヘックス・ピー）の感度と空間分解能を評価し、z > 6でのAGN検出能力および宇宙X線背景の解明可能性を予測する。
• X線対光学放射度比を分析し、X線が弱いAGNを同定し、その物理的起源と出現頻度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線サーベイは、光学的または紫外線的サーベイと比較して、成長中の超大質量ブラックホールの集計をどのようにより完全にするか？
• RQ2 AGNにおけるX線放射の物理的メカニズムは何か？ そして、遮蔽や赤方偏移に応じてどのように変化するか？
• RQ3 遠方宇宙におけるAGNの遮蔽度はどの程度で、X線サーベイはどのようにしてコンプトン厚い系を検出し特徴づけるのか？
• RQ4 AGNは宿主銀河や大規模環境とどのように相互作用するのか？ フィードバックは銀河進化にどのような役割を果たすのか？
• RQ5 次世代X線ミッションにより、z ≈ 10–20の最初のSMBHを検出できる可能性はどの程度か？

主な発見

• X線サーベイは、光学的に同定されたAGNのほぼすべてを検出しており、X線放射が降着中の超大質量ブラックホールのほぼ普遍的な特徴であることを確認している。
• X線放射は、NH ≈ 10^24.5 cm⁻²までの水素吸収密度をも通過できるため、光学サーベイで見逃される大多数の遮蔽されたAGNを検出可能である。
• 無線的非定常クェーサーのうち、X線が10倍弱いものはわずか3％にとどまり、X線放射度がAGN降着活動の強力な指標であることが示された。
• X線サーベイは、AGNと宿主銀河の放射度の対比が高く、高赤方偏移においても空間分解能が制限されても、クリアなAGN選別が可能である。
• アテナやWFXTといった将来的なミッションは、最大500万個のAGNを検出すると予測されており、z = 8–10の数十個を含む。WFXTは約3,000 deg²をサーベイし、高赤方偏移AGN検出に十分なフラックス限界に達する。
• アテナのX-IFUによる高スペクトル分解能X線分光法により、鉄Kα線を用いた直接的な赤方偏移測定が可能となり、NH、Γ、固有放射度の正確な決定が可能になる。