[论文解读] Correlations between X-ray properties and Black Hole Mass in AGN: towards a new method to estimate black hole mass from short exposure X-ray observations

Julian A. Mayers, Kathy Romer+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 3被引用 3

一句话总结

本研究提出利用短时间eROSITA曝光获得的X射线光度（L_X）来估计活动星系核（AGN）中的黑洞质量（M_BH），从而避免了传统方法中为测量归一化超额方差（σ²_NXS）而必须进行的长时间XMM-Newton观测。研究证实了M_BH与L_X之间存在相关性，使得能够对大规模AGN样本的M_BH分布进行统计估计，尽管由于散射较大，个体测量仍存在较大不确定性。

ABSTRACT

Several investigations of the X-ray variability of active galactic nuclei (AGN) using the normalised excess variance (${σ^2_{ m NXS}}$) parameter have shown that variability has a strong anti-correlation with black hole mass ($M_{ m BH}$) and X-ray luminosity ($L_{ m X}$). In this study we confirm these previous correlations and find no evidence of a redshift evolution. Using observations from XMM-Newton, we determine the ${σ^2_{ m NXS}}$ and $L_{ m X}$ for a sample of 1091 AGN drawn from the XMM-Newton Cluster Survey (XCS) - making this the largest study of X-ray spectral properties of AGNs. We created light-curves in three time-scales; 10 ks, 20 ks and 40 ks and used these to derive scaling relations between ${σ^2_{ m NXS}}$, $L_{ m X}$ (2.0-10 keV range) and literature estimates of $M_{ m BH}$ from reverberation mapping. We confirm the anti-correlation between $M_{ m BH}$ and ${σ^2_{ m NXS}}$ and find a positive correlation between $M_{ m BH}$ and $L_{ m X}$. The use of ${σ^2_{ m NXS}}$ is practical only for pointed observations where the observation time is tens of kiloseconds. For much shorter observations one cannot accurately quantify variability to estimate $M_{ m BH}$. Here we describe a method to derive $L_{ m X}$ from short duration observations and used these results as an estimate for $M_{ m BH}$. We find that it is possible to estimate $L_{ m X}$ from observations of just a few hundred seconds and that when correlated with $M_{ m BH}$, the relation is statistically similar to the relation of $M_{ m BH}$-$L_{ m X}$ derived from a spectroscopic analysis of full XMM observations. This method may be particularly useful to the eROSITA mission, an all-sky survey, which will detect $>$10$^{6}$ AGN.

研究动机与目标

• 调查短曝光获得的X射线光度（L_X）是否可作为活动星系核（AGN）中黑洞质量（M_BH）的代理指标。
• 检验能否基于eROSITA全天巡天数据对大规模AGN样本进行M_BH估计，其中长时曝光的变异性测量在实际中不可行。
• 利用30个AGN样本中通过光谱测得的L_X和时延映射得到的M_BH值，验证L_X与M_BH之间的关系。
• 评估基于eROSITA计数率获得的L_X估计值与光谱拟合结果的稳健性对比。
• 评估未来巡天（如OzDES）在扩展红移基线以检验M_BH–L_X关系演化方面的潜力。

提出的方法

• 利用XMM-Newton星系团巡天（XCS）中的XMM-Newton观测数据，将18–30个AGN在10–20 ks的时间段内分别测量σ²_NXS和L_X。
• 使用30个具有光谱测得L_X和时延映射M_BH值的AGN，校准M_BH–L_X关系。
• 通过将光谱拟合技术应用于XMM-Newton数据，从eROSITA计数率中推导出L_X，以模拟短曝光条件。
• 评估基于计数率估计的L_X与全光谱拟合结果之间的统计一致性。
• 评估M_BH–L_X关系中的散射程度，以判断该方法适用于群体水平而非个体水平的质量估计。
• 与OzDES巡天交叉匹配，识别出15个新的高红移AGN，以供未来检验M_BH–L_X关系演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在短曝光条件下，活动星系核中黑洞质量（M_BH）与X射线光度（L_X）之间是否存在统计显著的相关性？
• RQ2 基于eROSITA计数率估算的X射线光度能否可靠再现长XMM-Newton曝光中观测到的M_BH–L_X关系？
• RQ3 当通过未来巡天（如OzDES）探测到更高红移（z > 0.5）时，M_BH–L_X相关性是否仍然成立？
• RQ4 M_BH–L_X关系中的散射程度如何？它是否完全排除个体质量估计，仅适用于群体水平的统计分析？
• RQ5 在eROSITA全天巡天预计发现的超过100万个AGN中，该M_BH–L_X关系在多大程度上可用于估算黑洞质量分布？

主要发现

• 在30个具有时延映射M_BH和光谱测得L_X的AGN样本中，确认了M_BH与L_X之间存在显著相关性。
• 基于eROSITA类计数率估算的L_X值与全光谱拟合结果在统计上一致，验证了该方法在短曝光条件下的有效性。
• M_BH–L_X关系中的散射较大，相同L_X下M_BH可变化达两个数量级，限制了其在个体对象质量估计中的应用。
• 若在更高红移下该M_BH–L_X相关性得到确认，将可实现对eROSITA大规模AGN样本中黑洞质量分布的统计估计。
• OzDES巡天预计可使时延映射的M_BH测量数量增加约50%，包括超出当前样本红移范围的高红移AGN。
• 该方法不适用于精确的个体M_BH测量，但适用于研究AGN黑洞质量函数的群体趋势。