[论文解读] A Sample of Massive Black Holes in Dwarf Galaxies Detected via [Fe X] Coronal Line Emission: Active Galactic Nuclei and/or Tidal Disruption Events

Mallory Molina, Amy E. Reines+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 220被引用 71

一句话总结

本研究在81个矮星系中识别出[Fe X]λ6374冕状谱线发射，表明存在质量小于10⁵ M⊙的超大质量黑洞（MBH）吸积活动，这些星系大多未被传统的光学AGN巡天所探测到。利用SDSS光谱数据，研究证明[Fe X]发射——其光度远超恒星源所能解释——可探测到星系形成、蓝矮星系中低吸积率的低质量黑洞，揭示了一个被忽视的AGN和潮汐瓦解事件（TDE）群体。

ABSTRACT

The massive black hole (BH) population in dwarf galaxies ($M_{ m BH} \lesssim 10^5~M_\odot$) can provide strong constraints on the origin of BH seeds. However, traditional optical searches for active galactic nuclei (AGNs) only reliably detect high-accretion, relatively high-mass BHs in dwarf galaxies with low amounts of star formation, leaving a large portion of the overall BH population in dwarf galaxies relatively unexplored. Here, we present a sample of 81 dwarf galaxies ($M_\star \le 3 imes 10^9~M_\odot$) with detectable [Fe X]$\lambda$6374 coronal line emission indicative of accretion onto massive BHs, only two of which were previously identified as optical AGNs. We analyze optical spectroscopy from the Sloan Digital Sky Survey and find [Fe X]$\lambda$6374 luminosities in the range $L_{ m [Fe\,X]}\approx10^{36}$-$10^{39}$ erg s$^{-1}$, with a median value of $1.6 imes 10^{38}$ erg s$^{-1}$. The [Fe X]$\lambda$6374 luminosities are generally much too high to be produced by stellar sources, including luminous Type IIn supernovae (SNe). Moreover, based on known SNe rates, we expect at most 8 Type IIn SNe in our sample. On the other hand, the [Fe X]$\lambda$6374 luminosities are consistent with accretion onto massive BHs from AGNs or tidal disruption events (TDEs). We find additional indicators of BH accretion in some cases using other emission line diagnostics, optical variability, X-ray and radio emission (or some combination of these). However, many of the galaxies in our sample only have evidence for a massive BH based on their [Fe X]$\lambda$6374 luminosities. This work highlights the power of coronal line emission to find BHs in dwarf galaxies missed by other selection techniques and to probe the BH population in bluer, lower mass dwarf galaxies.

研究动机与目标

• 利用[Fe X]λ6374冕状谱线发射作为低吸积率AGN活动的探针，识别矮星系中的超大质量黑洞。
• 克服传统光学AGN诊断方法（如BPT图）的局限性，这些方法会遗漏低光度、低电离度和低吸积率源。
• 评估矮星系中[Fe X]发射是由AGN吸积驱动，还是由潮汐瓦解事件（TDEs）或超新星等瞬变事件驱动。
• 证明[Fe X]发射是探测低质量、蓝色、星系形成中的矮星系中超大质量黑洞的有力且互补的方法。

提出的方法

• 从NASA-Sloan星图（NSA v1.0.1）中选取81个矮星系，其恒星质量M⋆ ≤ 3 × 10⁹ M⊙，且在SDSS单纤维光谱中检测到[Fe X]λ6374发射。
• 测得[Fe X]λ6374的光度范围为L[F I] ≈ 10³⁶–10³⁹ erg s⁻¹，中位数为1.6 × 10³⁸ erg s⁻¹。
• 使用光学发射线诊断工具（如BPT/VO87图、He II/Hβ、[S II]/Hα与[O II]λλ7320,7330/Hα对比）评估AGN样电离特征。
• 在档案SDSS数据中搜索光学变异性，以识别瞬变AGN活动。
• 与钱德拉X射线数据及射电巡天（FIRST、VLASS）交叉匹配，识别与AGN活动一致的X射线和射电发射。
• 通过将[Fe X]光度与已知超新星率和光度对比，排除恒星源（如IIn型超新星）的可能性，发现81个天体的[Fe X]发射比超新星光度高6至23倍。

实验结果

研究问题

• RQ1 [Fe X]λ6374冕状谱线发射能否可靠地识别出被传统光学AGN诊断方法遗漏的矮星系中超大质量黑洞？
• RQ2 矮星系中观测到的[Fe X]发射更符合AGN吸积还是瞬变事件（如TDE或明亮超新星）的解释？
• RQ3 标准光学和红外AGN选别函数未能探测到的低质量、低吸积率黑洞群体中，有多少比例仍处于未被发现状态？
• RQ4 [Fe X]光度与已知超新星的光度相比如何？能否有效区分AGN与瞬变源？
• RQ5 在这些系统中，[Fe X]发射与额外AGN指标（光学变异性、X射线、射电）共现的程度如何？

主要发现

• 81个检测到[Fe X]λ6374发射的矮星系样本中，中位光度为1.6 × 10³⁸ erg s⁻¹，光度范围为10³⁶至10³⁹ erg s⁻¹。
• 在81个星系中仅有两个此前被识别为光学AGN，表明[Fe X]发射探测到了一个此前基本未被探索的低吸积率黑洞群体。
• [Fe X]λ6374光度过高，无法用恒星源（包括明亮的IIn型超新星）解释，最强发射（如NSA 533731/Mrk 709S）比SN2005ip高23倍。
• 81个星系中79个的[Fe X]发射无法用已知超新星率解释，样本中仅预期约8个IIn型超新星，远少于[Fe X]检测数。
• 部分系统中发现了额外的AGN指标（光学变异性、X射线发射、射电发射），但许多星系仅通过[Fe X]光度被识别，凸显其诊断能力。
• 本研究证实，[Fe X]λ6374发射是探测低质量、蓝色、星系形成中的矮星系中超大质量黑洞的稳健探针，尤其适用于低吸积率或瞬变活动的星系。