[论文解读] Reverberation Mapping of Two Luminous Quasars: the Broad-line Region Structure and Black Hole Mass

Shasha Li, Sen Yang+22 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 96被引用 40

一句话总结

本研究首次对光度较高的类星体 PG 0923+201 进行了脉动映射观测，并对 PG 1001+291 展开了长期基线监测，两者的 L5100 均大于 10⁴⁵ erg s⁻¹。通过速度分辨的时间延迟分析，揭示了宽线区（BLR）复杂的动力学行为，并分别测得黑洞质量为 118⁺¹¹₋₁₆ × 10⁷ M⊙ 和 3.33⁺⁰.⁶²₋₀.⁵⁴ × 10⁷ M⊙。PG 1001+291 显示出显著偏离标准 R_Hβ–L5100 关系的现象，归因于超爱丁顿吸积，表明在高光度和高红移条件下，单次观测法估算的黑洞质量可能存在高估。

ABSTRACT

We report the results of a multi-year spectroscopic and photometric monitoring campaign of two luminous quasars, PG~0923+201 and PG~1001+291, both located at the high-luminosity end of the broad-line region (BLR) size-luminosity relation with optical luminosities above $10^{45}~{ m erg~s^{-1}}$. PG~0923+201 is for the first time monitored, and PG~1001+291 was previously monitored but our campaign has a much longer temporal baseline. We detect time lags of variations of the broad H$\beta$, H$\gamma$, Fe {\sc ii} lines with respect to those of the 5100~{\AA} continuum. The velocity-resolved delay map of H$\beta$ in PG~0923+201 indicates a complicated structure with a mix of Keplerian disk-like motion and outflow, and the map of H$\beta$ in PG~1001+291 shows a signature of Keplerian disk-like motion. Assuming a virial factor of $f_{ m BLR}=1$ and FWHM line widths, we measure the black hole mass to be $118_{-16}^{+11} imes 10^7 M_{\odot}$ for PG~0923+201 and $3.33_{-0.54}^{+0.62} imes 10^7 M_{\odot}$ for PG~1001+291. Their respective accretion rates are estimated to be $0.21_{-0.07}^{+0.06} imes L_{ m Edd}\,c^{-2}$ and $679_{-227}^{+259} imes L_{ m Edd}\,c^{-2}$, indicating that PG~0923+201 is a sub-Eddington accretor and PG~1001+291 is a super-Eddington accretor. While the H$\beta$ time lag of PG~0923+201 agrees with the size-luminosity relation, the time lag of PG~1001+291 shows a significant deviation, confirming that in high-luminosity AGN the BLR size depends on both luminosity and Eddington ratio. Black hole mass estimates from single AGN spectra will be over-estimated at high luminosities and redshifts if this effect is not taken into account.

研究动机与目标

• 测量两个高光度类星体（L5100 > 10⁴⁵ erg s⁻¹）的黑洞质量与 BLR 结构，这些天体在脉动映射样本中代表性不足。
• 研究高爱丁顿比对 R_Hβ–L5100 关系的影响，该关系对单次观测黑洞质量估算至关重要。
• 利用速度分辨延迟图，表征 PG 0923+201 和 PG 1001+291 的宽线区（BLR）动力学结构。
• 检验标准 virial 质量估计算法（fBLR = 1）在超爱丁顿吸积的极端活动星系核环境中的可靠性。

提出的方法

• 利用丽江 2.4 m、CAHA 2.2 m 和帕洛玛 60 英寸望远镜等多台望远镜，对 PG 0923+201 和 PG 1001+291 开展多年光谱与测光监测。
• 通过档案时间域巡天数据校准，从时间序列光谱中测量连续谱与宽发射线的光 light curves。
• 应用插值互相关函数（ICCF）方法，测定 5100 Å 连续谱与 Hβ、Hγ 及 Fe II 发射线之间的时延。
• 构建速度分辨延迟图，分析 Hβ 线的动力学行为，识别出轨道运动与外流的特征。
• 采用 virial 公式计算黑洞质量：M• = fBLR × RBLR × ΔV² / G，假设 fBLR = 1，并使用平均光谱的 FWHM。
• 利用爱丁顿比公式评估吸积率：L/L_Edd = L5100 / (1.5 × 10³⁸ × M• / M⊙) × c⁻²，其中 c 为光速。

实验结果

研究问题

• RQ1 PG 0923+201 和 PG 1001+291 的宽发射线时延与标准 R_Hβ–L5100 关系相比如何？
• RQ2 这两个高光度类星体的宽线区动力学结构如何，特别是轨道运动与外流的特征？
• RQ3 爱丁顿比在高光度活动星系核中对 BLR 大小-光度关系的影响程度如何？
• RQ4 标准 virial 质量估计算法（fBLR = 1）在超爱丁顿吸积类星体中是否能可靠估算黑洞质量？
• RQ5 基于 R_Hβ–L5100 关系的单次观测黑洞质量估算在高红移和高光度条件下表现如何？

主要发现

• PG 0923+201 的 Hβ 时延为 108.2⁺⁶.⁶₋₁².³ 天，PG 1001+291 的 Hβ 时延为 37.3⁺⁶.⁹₋₆.₀ 天，均通过 ICCF 方法测得。
• PG 0923+201 的 Hβ 速度分辨延迟图显示，线轮廓翼部时延较短，核心区域时延较长，红移部分时延更高，表明 BLR 中存在轨道运动与外流的混合动力学行为。
• PG 1001+291 的 Hβ 时延呈现对称的、符合轨道运动的结构，与 Keplerian 盘状运动一致。
• 基于 FWHM 及假设 fBLR = 1，PG 0923+201 的黑洞质量估计为 118⁺¹¹₋₁₆ × 10⁷ M⊙，PG 1001+291 的质量为 3.33⁺⁰.⁶²₋₀.⁵⁴ × 10⁷ M⊙。
• PG 1001+291 的吸积率为 679⁺²⁵⁹₋²²⁷ × L_Edd c⁻²，确认其为超爱丁顿吸积体；而 PG 0923+201 的吸积率为 0.21⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁷ × L_Edd c⁻²，属亚爱丁顿吸积。
• PG 1001+291 的 Hβ 时延比经验 R_Hβ–L5100 关系低 0.78 dex，表明 BLR 尺寸不仅依赖于光度，还受爱丁顿比影响，若未考虑此效应，高红移下简单单次观测质量估算将不可靠。