[论文解读] Strong correlation between FeII/MgII ratio and Eddington ratio of type 1 Active galactic nuclei

Jaejin Shin, Jong-Hak Woo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 108被引用 9

一句话总结

本研究利用哈勃望远镜和斯隆数字巡天（SDSS）的紫外光谱，对红移 z < 2 的类型1活动星系核（AGNs）中的Fe II/Mg II通量比进行研究，发现其与爱丁顿比存在强烈正相关——表明宽线区（BLR）金属丰度与吸积活动直接相关，而非与黑洞质量或光度相关。结果表明，金属冷却可增强气体内流，从而驱动AGNs中的高吸积率。

ABSTRACT

The FeII/MgII line flux ratio has been used as an indicator of the Fe/Mg abundance ratio in the broad line region (BLR) of active galactic nuclei (AGNs). On the basis of archival rest-frame UV spectra obtained via the Hubble Space Telescope and the Sloan Digital Sky Survey, we investigate the FeII/MgII ratios of type 1 AGNs at z < 2. Over wide dynamic ranges of AGN properties (i.e., black hole mass, AGN luminosity, and Eddington ratio), we confirm that the FeII/MgII ratio strongly correlates with Eddington ratio but not with black hole mass, AGN luminosity, or redshift. Our results suggest that the metallicity in the BLR are physically related to the accretion activity of AGNs, but not to the global properties of galaxies (i.e., galaxy mass and luminosity). With regard to the relation between the BLR metallicity and the accretion rate of AGNs, we discuss that metal cooling may play an important role in enhancing the gas inflow into the central region of host galaxies, resulting in the high accretion rate of AGNs.

研究动机与目标

• 研究Fe II/Mg II通量比在黑洞质量、光度和爱丁顿比广泛动态范围内的AGN属性依赖性。
• 通过使用更大、更多样化的样本，解决先前关于Fe II/Mg II比与AGN光度及黑洞质量相关性的矛盾结果。
• 检验Fe II/Mg II比是否反映宇宙演化，还是与宽线区（BLR）的吸积物理过程相关。
• 探讨BLR金属丰度与吸积率之间物理机制的关联，特别是金属冷却如何影响气体内流。

提出的方法

• 从哈勃空间望远镜（HST）和斯隆数字巡天（SDSS）获取29个红移 z < 0.4 的类型1 AGNs 和122个红移 0.46 < z < 2.02 的SDSS类星体的 rest-frame 紫外光谱。
• 通过信噪比（SNR > 3）、振幅-噪声比（Mg II > 5，Fe II > 3）以及无吸收线或类型2 AGN污染的条件筛选高质量光谱。
• 在2600–3050 Å rest-frame 波段测量Fe II和Mg II通量，通过多组分拟合对Fe II进行去卷积，以校正与Mg II及连续谱的混叠影响。
• 利用单次测光的维里质量估计法计算爱丁顿比，基于总辐射光度和黑洞质量。
• 采用Spearman等级相关性检验进行统计分析，评估Fe II/Mg II比与红移、爱丁顿比、黑洞质量及光度的依赖关系。
• 利用CLOUDY光致电离模型解释观测相关性的物理意义，特别关注金属冷却与气体内流的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在AGN属性广泛动态范围内，类型1 AGNs中的Fe II/Mg II通量比是否与爱丁顿比相关？
• RQ2 如先前报道，Fe II/Mg II比是否与红移和AGN光度无关？当使用更广泛样本时，其是否存在隐藏依赖关系？
• RQ3 BLR金属丰度与吸积率之间的物理机制是什么？金属冷却如何影响气体内流与吸积活动？
• RQ4 为何先前研究对Fe II/Mg II与黑洞质量或光度的相关性存在矛盾？这是否源于样本选择偏差？

主要发现

• Fe II/Mg II比在红移 z ∼ 2 以内无显著依赖性，证实在此红移范围内BLR金属丰度无宇宙演化效应。
• 在约6个数量级的动态光度范围内，Fe II/Mg II与AGN光度呈微弱正相关，与N V/C IV等BLR金属丰度指标一致。
• Fe II/Mg II与黑洞质量无显著相关性；先前报道的负相关性被归因于光度范围受限导致的样本选择偏差。
• Fe II/Mg II与爱丁顿比之间存在强烈正相关，表明BLR金属丰度与吸积活动存在物理关联。
• 该相关性表明，金属冷却——由更高的Fe/Mg丰度驱动——可增强向中心区域的气体内流，从而促进AGNs中的高吸积率。
• 先前研究（如Sameshima et al. 2017）中CLOUDY模型的不一致性，可能源于Fe II原子模型不准确或参数空间不具代表性，对其预测的气体密度与爱丁顿比负相关性提出质疑。