[论文解读] A Balmer-line Broad Absorption Line Quasar

Patrick B. Hall|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 16

一句话总结

本文报告在类星体 SDSS J125942.80+121312.6 中发现了强烈的宽巴耳末系吸收线（Hβ 至 H9），以及低电离态和激发态 Fe II 吸收。n=2 氢壳层中的观测到的粒子数密度，可通过在高度光学厚、康普顿薄的吸收体中发生 Lyα 捕获来解释，该吸收体具有高密度的中性氢柱密度（N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²），使该类星体成为目前已知最强的巴耳末线 BAL 类星体，凸显了此类条件在类星体吸收体中极为罕见。

ABSTRACT

I report the discovery of blueshifted broad absorption line (BAL) troughs in at least six transitions of the Balmer series of hydrogen (Hbeta to H9) and in CaII, MgII and excited FeII in the quasar SDSS J125942.80+121312.6. This is only the fourth active galactic nucleus known to exhibit Balmer absorption, all four in conjunction with low-ionization BAL systems containing excited Fe II. The substantial population in the n=2 shell of H I in this quasar's absorber likely arises from Ly-alpha trapping. In an absorber sufficiently optically thick to show Balmer absorption, soft X-rays from the quasar penetrate to large τ_Lyαand ionize H I. Recombination then creates Ly-alpha photons that increase the n=2 population by a factor τ_Lyαsince they require about τ_Lyαscatterings to diffuse out of the absorber. Observing Ly-alpha trapping in a quasar absorber requires a large but Compton-thin column of gas along our line of sight which includes substantial H I but not too much dust. Presumably the rarity of Balmer-line BAL troughs reflects the rarity of such conditions in quasar absorbers.

研究动机与目标

• 识别并表征一种罕见的类星体，其表现出强烈的巴耳末系吸收线，同时伴有低电离态和激发态 Fe II 吸收。
• 确定在强电离辐射下，中性氢（H I）n=2 能级被激发的物理机制。
• 通过分析 Lyα 捕获和高密度中性氢柱密度所需的具体条件，解释巴耳末线 BAL 类星体稀少的原因。
• 通过约束吸收体的密度、电离状态和距中心源的距离，评估其对类星体风模型和活动星系核反馈的影响。

提出的方法

• 对 SDSS DR5 中 SDSS J125942.80+121312.6 的光谱进行分析，重点关注 Hβ 至 H9、Ca II、Mg II 和激发态 Fe II 的吸收深谷。
• 利用 [O II] 和 [O III] 发射线测量红移，确定类星体的红移（z = 0.7517）和蓝移吸收特征。
• 使用 Lyα 捕获理论对 H I 能级分布进行建模，其中光子在逃逸前经历 ≈ τ_Lyα 次散射，使 n=2 能级粒子数密度增加 τ_Lyα 倍。
• 根据巴耳末吸收深谷的深度和宽度，估算中性氢柱密度（N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²）。
• 通过光谱中未检测到康普顿厚吸收和低尘含量，评估吸收体的光学厚度和康普顿薄特性。
• 与已知 BAL 类星体比较，评估巴耳末线吸收的稀有性，以及特定吸收体条件（高 τ_Lyα、高 N_HI、低尘、康普顿薄）的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 SDSS J125942.80+121312.6 吸收体中，中性氢 n=2 能级的强激发由何种物理机制解释？
• RQ2 尽管存在高密度中性氢柱，为何巴耳末线宽吸收线在类星体吸收体中如此稀少？
• RQ3 Lyα 捕获如何促成该类星体中观测到的巴耳末吸收？这对吸收体的光学厚度和几何结构有何启示？
• RQ4 基于观测到的巴耳末线和 Fe II 吸收特征，可对吸收体的电离状态、密度和距中心源的距离施加何种约束？
• RQ5 是否存在其他机制（如高温）可解释观测到的 H I 能级粒子数密度？为何这种可能性较低？

主要发现

• SDSS J125942.80+121312.6 展现出迄今在类星体中观测到的最强巴耳末线宽吸收线（Hβ 至 H9），其最深吸收谷蓝移达 2960 ± 70 km s⁻¹。
• 吸收体具有高密度的中性氢柱，约为 N_HI ≈ 8.1×10¹⁸ cm⁻²，与观测到的巴耳末吸收深度和宽度一致。
• H I n=2 电子壳层的粒子数密度最合理的解释是 Lyα 捕获，即光子在逃逸前经历 ≈ τ_Lyα 次散射，使 n=2 能级粒子数密度增加 τ_Lyα 倍。
• 吸收体为康普顿薄且不富含尘埃，由光谱中未见强消光，以及在近红外波段（J=17.00±0.16，Ks=15.32±0.15）检测到类星体得到证实。
• 巴耳末线 BAL 类星体的稀有性（≤1% 的 BAL 类星体）归因于其极端且特定的条件：高 τ_Lyα、高 N_HI、低尘含量和康普顿薄几何结构。
• 该类星体中检测到巴耳末吸收，同时伴有激发态 Fe II 和低电离线，证实此类系统与铁低电离 BAL 类星体相关，可能比以往认为的更常见，但常因吸收特征微弱或红移而被遗漏。