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

Chris J. Willott, R. J. McLure+1 more|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|Mar 3, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 20被引用 171

一句话总结

本文对红移 z=6.41 的高红移类星体 SDSS J1148+5251 进行了近红外 H 和 K 波段光谱观测，检测到一条宽的 Mg ii λ2799 发射线，以更精确地测定其红移，并利用 virial 质量估算法估算出其黑洞质量为 3×10⁹ M☉。该类星体正以爱丁顿极限辐射，表明在此早期宇宙时期，其黑洞的吸积已接近最大值。

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.

研究动机与目标

• 使用近红外光谱法，更精确地测定高红移类星体 SDSS J1148+5251 的红移。
• 利用 Mg ii 发射线的线宽和光度，通过 virial 质量估算法确定黑洞质量。
• 评估类星体的光度是否因束状辐射或引力透镜效应而增强，这会影响质量估算。
• 评估黑洞是否以或接近爱丁顿极限吸积，尤其考虑到其高质且处于宇宙极早期。

提出的方法

• 使用 UKIRT/UKIRT 成像光谱仪（UIST）在 H 和 K 波段进行近红外光谱观测，使用 0.48 角秒狭缝，光谱分辨力约为 500。
• 通过 F6 型恒星进行通量定标，通过氩弧灯进行波长定标，并通过沿狭缝的跳点法进行天空背景扣除。
• 识别出静止波长 2799 Å 处的宽 Mg ii 发射线，并采用幂律连续谱、Fe ii 模板和展宽的高斯线型轮廓进行拟合。
• 通过最佳拟合模型测得 Mg ii 线的半高全宽（FWHM）为 6000 km s⁻¹。
• 利用 virial 质量估计算法估算黑洞质量：M_bh = 3.37 × (λL₃₀₀₀ / 10³⁷ W)^0.47 × (FWHM(Mg II) / km s⁻¹)^2。
• 通过应用 7 倍的总辐射修正因子，将爱丁顿光度与观测到的总辐射光度进行比较，以评估吸积率。

实验结果

研究问题

• RQ1 类星体 SDSS J1148+5251 的精确红移是多少？与光学估计相比如何？
• RQ2 SDSS J1148+5251 中心黑洞的质量是多少？其如何基于 Mg ii 发射线推导得出？
• RQ3 类星体的光度是否因束状辐射或引力透镜效应而增强，从而可能影响质量估算？
• RQ4 黑洞是否以或接近爱丁顿极限吸积？这对早期黑洞成长意味着什么？

主要发现

• 通过宽 Mg ii λ2799 发射线的峰值波长，将 SDSS J1148+5251 的红移精确修正为 z = 6.41 ± 0.01。
• Mg ii 发射线的半高全宽（FWHM）为 6000 km s⁻¹，与低红移类星体的典型值一致。
• 基于 FWHM(Mg II) 和 λL₃₀₀₀，利用 virial 质量估计算法估算出黑洞质量为 3×10⁹ M☉。
• 观测到的 3000 Å 单色光度为 λL₃₀₀₀ = 6.2×10³⁹ W，应用 7 倍的总辐射修正因子后，对应总辐射光度为 4×10⁴⁰ W。
• 该类星体正以爱丁顿极限辐射，其光度 4×10⁴⁰ W 与 3×10⁹ M☉ 黑洞的爱丁顿光度完全匹配。
• Mg ii 线的等效宽度与低红移类星体相当，表明紫外连续谱未受到显著的束状辐射增强，支持质量估算的可靠性。