[论文解读] Pan-STARRS1 variability of XMM-COSMOS AGN. II. Physical correlations and power spectrum analysis

T. Simm, M. Salvato+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 127被引用 31

一句话总结

本研究利用Pan-STARRS1光 light curves 分析了约90个XMM-COSMOS AGN的rest-frame紫外/光学变异性，以探究变异性背后的物理驱动因素。研究发现，变异性幅度与总辐射光度及爱丁顿比呈强烈负相关（斜率≈−1），且与黑洞质量或红移无显著依赖关系，表明吸积率是根本驱动因素。光学PSD最符合具有100–300天转折 timescale 的分段幂律模型，高频段斜率在−2至−4之间，偏离了阻尼随机游走模型。

ABSTRACT

[Abbreviated] We search for scaling relations between the fundamental AGN parameters and rest-frame UV/optical variability properties for a sample of $\sim$90 X-ray selected AGNs covering a wide redshift range from the XMM-COSMOS survey, with optical light curves in four bands provided by the Pan-STARRS1 (PS1) Medium Deep Field 04 survey. To estimate the variability amplitude we utilize the normalized excess variance ($σ_{\mathrm{rms}}^{2}$) and probe variability on rest-frame timescales of several months and years by calculating $σ_{\mathrm{rms}}^{2}$ from different parts of our light curves. In addition, we derive the rest-frame optical PSD for our sources using continuous-time autoregressive moving average (CARMA) models. We observe that the excess variance and the PSD amplitude are strongly anti-correlated with wavelength, bolometric luminosity and Eddington ratio. There is no evidence for a dependency of the variability amplitude on black hole mass and redshift. These results suggest that the accretion rate is the fundamental physical quantity determining the rest-frame UV/optical variability amplitude of quasars on timescales of months and years. The optical PSD of all of our sources is consistent with a broken power law showing a characteristic bend at rest-frame timescales ranging between $\sim$100 and $\sim$300 days. The break timescale exhibits no significant correlation with any of the fundamental AGN parameters. The low frequency slope of the PSD is consistent with a value of $-1$ for most of our objects, whereas the high frequency slope is characterized by a broad distribution of values between $\sim-2$ and $\sim-4$. These findings unveil significant deviations from the simple "damped random walk" model, frequently used in previous optical variability studies. We find a weak tendency for AGNs with higher black hole mass having steeper high frequency PSD slopes.

研究动机与目标

• 理解AGN中紫外/光学变异性背后的物理驱动因素，特别是吸积率的作用。
• 调和先前研究中关于变异性与光度、黑洞质量及红移相关性的矛盾结果。
• 对一个定义明确的AGN样本表征光学功率谱密度（PSD）的形状与标度关系。
• 检验阻尼随机游走（DRW）模型在解释AGN光学变异性方面的有效性。
• 评估变异性幅度是否依赖于rest-frame timescale 和波长。

提出的方法

• 利用Pan-STARRS1中深场04巡天在四个波段（gP1、rP1、iP1、zP1）的光曲线，针对约90个X射线选中的AGN。
• 通过归一化的超额方差（σ²_rms）量化在rest-frame timescale为月和年量级的变异性幅度。
• 应用连续时间自回归移动平均（CARMA）模型重建rest-frame光学功率谱密度（PSD）。
• 对σ²_rms与AGN物理参数（红移、黑洞质量、总辐射光度、爱丁顿比）进行相关性分析。
• 将PSD建模为分段幂律，以提取转折 timescale、低频段斜率和高频段斜率。
• 通过考虑波长依赖性变异性及光度负相关关系，检验相关性随红移的演化情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGN的rest-frame紫外/光学变异性幅度如何与总辐射光度及爱丁顿比相关？
• RQ2 在rest-frame光学波段中，变异性幅度是否显著依赖于黑洞质量或红移？
• RQ3 AGN光学功率谱密度（PSD）的内在形状是什么？与阻尼随机游走（DRW）模型相比如何？
• RQ4 光学PSD中的转折 timescale 是否与黑洞质量或光度等基本AGN参数相关？
• RQ5 光学PSD的高频段和低频段斜率是否与理论预期或先前模型一致？

主要发现

• 超额方差（σ²_rms）与总辐射光度呈强烈负相关，所有PS1波段及月-年 timescale 变异性中，对数斜率均约为−1。
• 超额方差也与爱丁顿比呈强烈负相关，对数斜率为−1，表明更高的吸积率导致更强的光学变异性。
• 变异性幅度与黑洞质量或红移无显著相关性，表明这些因素并非月-年 timescale 光学变异性的主要驱动因素。
• 所有源的光学PSD均与分段幂律一致，转折 timescale 范围为∼100至∼300天，且与黑洞质量、光度、爱丁顿比或波长无关。
• PSD的低频段斜率与−1一致，与X射线PSD相似；而高频段斜率分布在−2至−4之间，表明显著偏离阻尼随机游走模型。
• 观察到微弱趋势：黑洞质量越大，高频段PSD斜率越陡，提示短 timescale 变异性机制可能存在可能的质量依赖性。