[论文解读] Black hole mass estimates in quasars - A comparative analysis of high- and low-ionization lines

P. Marziani, A. del Olmo+8 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 139被引用 7

一句话总结

本研究评估了C IV λ1549发射线作为类星体中黑洞质量（M_BH）的virial展宽估计器的适用性，发现未经校正的C IV FWHM由于外流和爱丁顿比效应而高估M_BH。在应用了与光度和爱丁顿比相关的校正后，基于C IV的M_BH估计值与基于Hβ的M_BH估计值之间的离散度约为0.3 dex，从而实现了在四数量级光度范围内可靠地估算高光度黑洞质量。

ABSTRACT

The inter-line comparison between high- and low-ionization emission lines has yielded a wealth of information on the quasar broad line region (BLR) structure and dynamics, including perhaps the earliest unambiguous evidence in favor of a disk + wind structure in radio-quiet quasars. We carried out an analysis of the CIV 1549 and Hbeta line profiles of 28 Hamburg-ESO high luminosity quasars and of 48 low-z, low luminosity sources in order to test whether the high-ionization line CIV 1549 width could be correlated with Hbeta and be used as a virial broadening estimator. We analyze intermediate- to high-S/N, moderate resolution optical and NIR spectra covering the redshifted CIV and H$β$ over a broad range of luminosity log L ~ 44 - 48.5 [erg/s] and redshift (0 - 3), following an approach based on the quasar main sequence. The present analysis indicates that the line width of CIV 1549 is not immediately offering a virial broadening estimator equivalent to H$β$. At the same time a virialized part of the BLR appears to be preserved even at the highest luminosities. We suggest a correction to FWHM(CIV) for Eddington ratio (using the CIV blueshift as a proxy) and luminosity effects that can be applied over more than four dex in luminosity. Great care should be used in estimating high-L black hole masses from CIV 1549 line width. However, once corrected FWHM(CIV) values are used, a CIV-based scaling law can yield unbiased MBH values with respect to the ones based on H$β$ with sample standard deviation ~ 0.3 dex.

研究动机与目标

• 测试C IV λ1549线宽是否可作为高光度类星体中黑洞质量（M_BH）的可靠virial展宽估计器（VBE）
• 研究外流、取向和爱丁顿比对C IV线宽及其与Hβ基M_BH估计值关系的影响
• 开发并验证一种针对C IV FWHM的校正因子，该因子可考虑光度和爱丁顿比效应，从而实现在大动态范围光度下的无偏M_BH估计

提出的方法

• 作者分析了28个高光度和48个低光度类星体的中等至高信噪比、中等分辨率的光学和近红外光谱，红移范围为0至3。
• 在光度范围log L ≈ 44–48.5 erg s⁻¹内，以类星体主序列为参考框架，比较C IV λ1549与Hβ的FWHM。
• 基于光度（L）和爱丁顿比（L/L_Edd），对FWHM(C IV)应用校正因子ξ_CIV，其形式为1 / [1 + k·L^a·(L/L_Edd)^b]，其中a ≈ 0.1，b ≈ 1。
• 利用蒙特卡洛模拟生成合成类星体样本，以检验取向、外流速度（Q）和爱丁顿比分布对C IV与Hβ的M_BH估计值的影响。
• 通过比较真实数据与合成数据中M_BH(C IV)与M_BH(Hβ)的散度和偏差，评估校正后C IV估计器的性能。
• 分析中包含通过公式10和公式12对取向影响线宽的建模，该模型考虑了观测线轮廓中视向角的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 C IV λ1549线宽是否可作为高光度类星体中黑洞质量的可靠virial展宽估计器？
• RQ2 基于C IV λ1549与Hβ的M_BH估计值之间系统性偏差的原因是什么？如何进行校正？
• RQ3 外流和爱丁顿比如何影响C IV λ1549的FWHM？这些影响能否被建模以改进M_BH估计？
• RQ4 校正后的基于C IV的M_BH估计器是否在大光度范围内与基于Hβ的估计器具有相当的准确性？
• RQ5 源取向在多大程度上影响基于C IV的M_BH估计的可靠性？是否可通过校正加以缓解？

主要发现

• 未经校正的C IV λ1549 FWHM由于外流和爱丁顿比效应导致显著展宽，因此不能作为M_BH的可靠virial展宽估计器。
• 在应用与光度和爱丁顿比相关的校正因子后，基于C IV λ1549与Hβ的M_BH估计值之间的离散度降低至约0.3 dex。
• 校正后的基于C IV的M_BH标定关系在超过四个数量级的光度范围内（log L ≈ 44–48.5 erg s⁻¹）相对于Hβ基M_BH估计值保持无偏。
• 取向效应在C IV和Hβ的M_BH估计中均引入系统性偏差，但校正显著降低了由视向角和外流速度引起的离散度。
• 在合成模型中，当外流参数Q ≈ 4时，C IV λ1549几乎成为完美的virial展宽估计器，其离散度仅由Hβ测量不确定性主导。
• 本研究证实，即使在最高光度下，宽线区仍存在一个束缚成分，支持在经过校正后使用C IV作为可行的M_BH估计器。