[论文解读] Taking a Long Look: A Two-Decade Reverberation Mapping Study of High-Luminosity Quasars

S. Kaspi, W. N. Brandt+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究对高光度类星体开展了为期20年的脉动映射观测，测量了三个天体中C IV发射线与紫外连续谱之间的时延，以及一个天体中C III]发射线的时延。结果证实，在八数量级的光度范围内，宽线区（BLR）大小与紫外光度的平方根成正比，且存在显著的固有离散度；并初步得出黑洞质量也以类似方式随光度变化，将经典的维里质量关系扩展至最明亮的活动星系核（AGN）。

ABSTRACT

Reverberation mapping (RM) of active galactic nuclei (AGNs) has been used over the past three decades to determine AGN broad-line region (BLR) sizes and central black-hole masses, and their relations with the AGN's luminosity. Until recently the sample of objects with RM data was limited to low-luminosity AGNs ($L_{ m opt} \lesssim 10^{46}$ ergs s$^{-1}$) and low redshifts ($z \lesssim 0.5$). Here we present results from a reverberation-mapping project of some of the most luminous and highest redshift quasars that have been mapped to date. The study is based on almost twenty years of photometric monitoring of 11 quasars, six of which were monitored spectrophotometrically for 13 years. This is the longest reverberation-mapping project carried out so far on this type of AGNs. We successfully measure a time lag between the CIV$λ$1549 broad emission line and the quasar continuum in three objects, and measure a CIII$λ$1909 lag in one quasar. Together with recently published data on CIV reverberation mapping, the BLR size is found to scale as the square root of the UV luminosity over eight orders of magnitude in AGN luminosity. There is a significant scatter in the relation, part of which may be intrinsic to the AGNs. Although the CIV line is probably less well suited than Balmer lines for determination of the mass of the black hole, virial masses are tentatively computed and in spite of a large scatter we find that the mass of the black hole scales as the square root of the UV luminosity.

研究动机与目标

• 将脉动映射研究扩展至最明亮、红移最高的类星体，其宽线区大小与变异性 timescales 较大。
• 检验在极端光度（L_opt ≳ 10^46 erg s⁻¹）和高红移（z ≳ 0.5）条件下，已确立的宽线区大小–光度关系是否仍然成立。
• 利用长期测光与光谱监测，测量高光度类星体中连续谱与宽发射线（C IV、C III]）之间的时延。
• 评估尽管C IV线存在已知局限性，其在高光度类星体中用于质量估计的可靠性。

提出的方法

• 在Wise天文台对11个高光度类星体进行了近二十年的测光监测（1997–2016年），使用B和R波段。
• 对六个类星体进行了13年的光谱监测，以测量C IV λ1549发射线与连续谱之间的时延。
• 应用互相关技术（ICCF与ZDCF）估算连续谱（B与R波段）与发射线光 light curves 之间的时延。
• 采用无模型互相关与有模型方法（如JAVELIN、SPEAR）推断时延，并对显著性与不确定性进行仔细评估。
• 整合测光与光谱光 light curves，将R波段数据与六个类星体的光谱连续谱光 light curves 合并。
• 利用USNO-A2.0星表中的非变星进行星等校准，并对每日观测取平均以降低噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 由低光度活动星系核导出的宽线区大小–光度关系是否可外推至最明亮的类星体（L_opt ≳ 10^46 erg s⁻¹）？
• RQ2 尽管存在长 timescales 与稀疏采样，是否能可靠测量高光度、高红移类星体中紫外连续谱与C IV发射线之间的时延？
• RQ3 在极端光度下，宽线区大小–光度关系的离散度有多大？其中有多少是源于类星体本身的固有差异？
• RQ4 尽管C IV线相比巴尔默线存在已知局限性，是否仍可对高光度类星体中的黑洞质量进行有意义的维里质量估计？
• RQ5 在高光度类星体中，蓝端与红端连续谱的时延如何比较？其结果是否符合再处理模型的预期？

主要发现

• 三个高光度类星体（SBS 1116+603、SBS 1425+606、S5 2017+744）在C IV λ1549发射线与紫外连续谱之间显示出统计显著的时延，测得时延分别为 -145⁺⁸⁵₋₆⁵、-264⁺³⁹₋₁₄₆ 和 -87⁺⁶²₋₅⁸ 天（观测帧）。
• 一个类星体（S5 0014+81）在C III] λ1909发射线与连续谱之间显示出 -114⁺⁸⁹₋₂⁶ 天的显著时延。
• 宽线区大小与紫外光度的平方根成正比（R_BLR ∝ L^0.5），在八数量级的光度动态范围内保持一致，符合标准关系。
• R_BLR–L关系中的离散度显著，其中较大的固有成分可能源于类星体之间宽线区结构或电离条件的差异。
• 由C IV线导出的维里黑洞质量与光度呈比例关系（M_BH ∝ L^0.5），尽管离散度较大，提示在高光度AGN中使用C IV线进行质量估计需持谨慎态度。
• 在多个天体中（如SBS 1425+606、S5 2017+744），R波段光曲线滞后于B波段光曲线，与再处理模型预期一致，即红端连续谱因尘埃再处理或热延迟而滞后于蓝端。