[论文解读] Current and future applications of Reverberation-mapped quasars in Cosmology

Swayamtrupta Panda, Mary Loli Martínez‐Aldama+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 130被引用 35

一句话总结

本文提出利用混响映射的类星体，特别是红移 z ≈ 0.9 处的 Mg II 发射线，将半径-光度（R-L）关系扩展至更高红移，以实现宇宙学距离测量。研究提出了一种校正超爱丁顿吸积率影响的 R-L 关系，使宇宙学参数 Ωm 和 ΩΛ 的估计值在 2σ 范围内与 ΛCDM 模型一致，并为 LSST 的测光混响映射提出了一套框架，以扩大类星体样本，服务于未来的宇宙学研究。

ABSTRACT

Reverberation mapping technique is an important milestone in AGN demographics, kinematics and the structure of the Broad Line Region (BLR) based on the time-delay response between the continuum and emission line. The time delay is directly related to the size of BLR which is related to the continuum luminosity of the source, producing the well-known Radius-Luminosity (RL) relation. The majority of sources have been monitored for their H$\beta$ emission line in low redshift sources ($z<0.1$), while there are some attempts using the MgII line for higher redshifts. We present a recent MgII monitoring for the quasar CTS C30.10 ($z=0.90$) observed with the 10-meter SALT, for which RL scaling based on MgII holds within measurement and time-delay uncertainties. One of the most important advantages of reverberation mapping technique is the independent determination to the distant source, and considering the large range of redshifts and luminosities found in AGNs, their application to cosmology is promising. However, recently it has been found that highly accreting sources show the time delays shorter than expected from RL relation. We propose correction for this effect using a sample of 117 H$\beta$ reverberating-mapped AGNs with $0.02<z<0.9$, recovering the low scatter along with the relation. We are able to determine the cosmological constants, $\Omega_m$ and $\Omega_\Lambda$ within 2$\sigma$ confidence level. We present the first steps in modelling of light curves for H$\beta$ and MgII and discuss the quasar selection in the context of photometric reverberation mapping with Large Synoptic Survey Telescope (LSST). With the onset of the LSST era, we expect a huge rise in the overall quasar counts and redshift range covered ($z\lesssim 7.0$), which will provide a better constraint of AGN properties with cosmological purposes.

研究动机与目标

• 利用 Mg II 发射线将类星体的半径-光度（R-L）关系扩展至低红移以外。
• 校正因超爱丁顿吸积率导致的时间延迟测量中的系统性偏差。
• 评估利用混响映射类星体进行宇宙学参数估计的可行性。
• 为未来 LSST 的测光混响映射开发筛选算法与合成光曲线建模方法。
• 通过模拟类星体光曲线并优化时间延迟测量的类星体选择，为 LSST 时代做好准备。

提出的方法

• 利用南非大望远镜（SALT）对中等红移类星体 CTS C30.10（z = 0.90）开展了为期六年的监测，测量 Mg II 线的响应时间延迟。
• 将 117 个混响映射活动星系核（包括 Hβ 和 Mg II 源）结合，拟合一般幂律 R-L 关系：log(RBLR/1 lt-day) = K + α log(λLλ/1044 erg s⁻¹)。
• 应用超爱丁顿吸积率的校正，以减少 R-L 关系中的离散度，恢复与理论预期一致的低离散度。
• 利用校正后的 R-L 关系估算光度距离，并约束宇宙学参数 Ωm 和 ΩΛ。
• 开发了包含类星体属性（光度、红移、黑洞质量、等效宽度）和 LSST 仪器响应（滤波器波段、观测周期、滤波器更换时间）的合成光曲线生成器。
• 提出一种基于发射线强度、波段重叠和线宽的筛选算法，以识别适合测光混响映射的最优类星体。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于当前数据可靠地将 Mg II 基础的 R-L 关系扩展至 z ≈ 0.9？
• RQ2 超爱丁顿吸积率如何影响时间延迟测量和 R-L 关系的离散度？
• RQ3 需要多大的样本量才能以 2% 的不确定性约束宇宙学参数？
• RQ4 如何优化 LSST 广角多波段巡天的测光混响映射？
• RQ5 在 LSST 测光数据中，识别具有高保真时间延迟测量的类星体的关键选择标准是什么？

主要发现

• 在源帧中，CTS C30.10 的 Mg II 时间延迟测量为 τMgII = 551+49−82 天，证实了在 z ≈ 0.90 处的 R-L 关系。
• 对 117 个 AGN 的联合 R-L 关系拟合得到最佳参数：K = 1.47 ± 0.06 和 α = 0.59 ± 0.06，与基于 Hβ 的关系（α ≈ 0.533）在不确定度范围内一致。
• 对超爱丁顿吸积率的校正成功减少了 R-L 关系中的离散度，使距离估计更加可靠。
• 在时间延迟测量不确定性为 5% 的情况下，约需 625 个类星体才能以 2% 的不确定性约束宇宙学参数。
• 预计 LSST 巡天将使混响映射类星体的数量增加约 5 个数量级，从而支持大规模宇宙学研究。
• 所提出的筛选算法与合成光曲线建模为最优类星体的选择和 LSST 测光混响映射的准备提供了基础。