[论文解读] Quasar spectral energy distribution in EUV restored from associated absorbers: indications to the HeII opacity of the quasar accretion disk wind

S. A. Levshakov, Agafonova, I. I.+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 62被引用 4

一句话总结

本研究利用高红移类星体相关窄吸收线（NAL）系统中的吸收线，重建了其极端紫外（EUV）光谱能量分布（SED），揭示了在能量 >4 Ryd 处因 He ii 里曼连续谱光学厚度导致的强烈强度衰减。结果表明，类星体吸积盘风——特别是屏蔽气体——产生了这一光学厚度，其中 He ii 的柱密度 ≈10¹⁸ cm⁻²，H i 的柱密度 ≈5×10¹⁶ cm⁻²，进而影响了大尺度介质中 He ii 的再电离过程。

ABSTRACT

(abridged) Aims. To reconstruct the spectral shape of the quasar ionizing radiation in the extreme-UV range (1Ryd <= E < 10Ryd) from the analysis of narrow absorption lines (NAL) of the associated systems. Methods. Computational technique for inverse spectroscopic problems - Monte Carlo Inversion augmented by procedure of the spectral shape recovering and modified to account for the incomplete coverage of the light source. Results. The ionizing spectra responsible for the ionization structure of the NAL systems require an intensity depression at E > 4Ryd which is attributed to the HeII Lyman continuum opacity (tau^HeII_c ~ 1). A most likely source of this opacity is a quasar accretion disk wind. The corresponding column density of HI in the wind is estimated as a few times 10^16 cm^-2. This amount of neutral hydrogen should cause a weak continuum depression at lamb <= 912A (rest-frame), and a broad and shallow absorption in HI Ly-alpha. If metallicity of the wind is high enough, other resonance lines of OVI, NeVI-NeVIII, etc. are expected. In the analyzed QSO spectra we do observe broad (stretching over 1000s km/s) and shallow (tau << 1) absorption troughs of HI Ly-alpha and OVI 1031,1037A...

研究动机与目标

• 重建因银河系及星际介质吸收而无法直接观测的高红移类星体内在极端紫外（EUV）光谱能量分布（SED）。
• 确定与类星体宿主星系物理关联的关联窄吸收线（NAL）系统中电离结构的电离辐射场。
• 研究在 E > 4 Ryd 处观测到的 EUV SED 中强度骤降的成因，该现象表现为电离连续谱的衰减。
• 评估类星体吸积盘风在产生 He ii 里曼连续谱光学厚度中的作用及其对大尺度介质中 He ii 再电离的影响。
• 推导吸收气体中元素丰度的精确值，并比较宿主星系核区与星际区域的氮碳比。

提出的方法

• 应用蒙特卡洛反演方法结合光谱形状恢复，以解决光谱反问题，特别针对吸收系统中源覆盖不全的情况进行修正。
• 利用哈勃空间望远镜和甚大望远镜凯乌恩镜的高分辨率紫外与X射线光谱，分析红移 2 < z < 3 的四组关联 NAL 系统。
• 采用光致电离模型，通过拟合 C iv、N v、O vi 和 H i 线的观测柱密度与光学厚度，推断潜在的电离 SED。
• 高精度估算离子的覆盖因子与柱密度，从而实现对电离连续谱形状的稳健重建。
• 通过比较在 4 Ryd 处有无拐点的幂律 SED，确定最佳拟合电离谱，使用光致电离率比值 Γ₁/Γ₂ 作为诊断工具。
• 通过分析通量校准光谱并对比 λ < 912 Å（本征系）处的观测连续谱衰减，评估通过 He ii 透明气体的类星体辐射比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 被银河系及星际介质吸收遮挡的类星体电离辐射谱在极端紫外（EUV）波段（1–10 Ryd）的内在形状是什么？
• RQ2 在重建的类星体 EUV SED 中，E > 4 Ryd 处观测到的强度衰减由何种物理机制造成？
• RQ3 在关联 NAL 系统中观测到的 He ii 里曼连续谱光学厚度是否可归因于类星体吸积盘风？其对应的柱密度是多少？
• RQ4 风中 He ii 光学厚度在多大程度上影响了大尺度介质的电离状态，特别是与 z ≈ 3 时观测到的不均匀 He ii 再电离有何关联？
• RQ5 类星体宿主星系中，核区与星际气体的元素丰度（特别是 N/C）有何差异？这对金属富集机制有何启示？

主要发现

• 四例高红移类星体重建的 EUV SED 在能量 >4 Ryd 处表现出明显的强度衰减，表明 He ii 里曼连续谱存在显著光学厚度。
• 产生该光学厚度所需的 He ii 柱密度约为 ≈10¹⁸ cm⁻²，与类星体吸积盘风的存在一致。
• 风中 H i 柱密度约为 ≈5×10¹⁶ cm⁻²，可导致 λ < 912 Å（本征系）处的微弱连续谱衰减，以及宽而浅的 H i Ly-α 吸收（τ ≪ 1）。
• 观测证据包括宽而浅的 H i Ly-α 及 O vi λλ1031,1037 吸收特征，以及 J 2233–606 和 HE 2347–4243 的通量校准光谱中 λ ≲ 912 Å 处的连续谱衰减。
• 至少约 50% 的类星体辐射通过 He ii 透明气体，表明强度骤降具有强烈的角向依赖性，即在接近盘旋转轴方向时骤降更深。
• 在相同金属丰度下，核区气体的 N/C 丰度比高于星际气体，暗示其富集机制不同——可能与宿主星系中心区域与外围区域初始质量函数的差异有关。