[论文解读] The growth and evolution of super massive black holes

S. S. Murray, R. Gilli+20 more|ArXiv.org|Mar 30, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文主张通过宽视场X射线望远镜（WFXT）开展大范围、深空X射线巡天，具备高灵敏度和大收集面积，从而实现对宇宙时空中超大质量黑洞生长与演化的统计研究。通过探测数千个活动星系核（AGN），包括康普顿厚型和高红移源，并实现变光源监测，WFXT将解决关于黑洞形成、反馈机制及活动周期的关键问题。

ABSTRACT

We discuss the central role played by X-ray studies to reconstruct the past history of formation and evolution of supermassive Black Holes (BHs), and the role they played in shaping the properties of their host galaxies. We shortly review the progress in this field contributed by the current X-ray and multiwavelength surveys. Then, we focus on the outstanding scientific questions that have been opened by observations carried out in the last years and that represent the legacy of Chandra and XMM, as for X-ray observations, and the legacy of the SDSS, as for wide area surveys: 1) When and how did the first supermassive black holes form? 2) How does cosmic environment regulate nuclear activity (and star formation) across cosmic time? 3) What is the history of nuclear activity in a galaxy lifetime? We show that the most efficient observational strategy to address these questions is to carry out a large-area X-ray survey, reaching a sensitivity comparable to that of deep Chandra and XMM pointings, but extending over several thousands of square degrees. Such a survey can only be carried out with a Wide-Field X-ray Telescope (WFXT) with a high survey speed, due to the combination of large field of view and large effective area, i.e., grasp, and sharp PSF. We emphasize the important synergies that WFXT will have with a number of future groundbased and space telescopes, covering from the radio to the X-ray bands and discuss the immense legacy value that such a mission will have for extragalactic astronomy at large.

研究动机与目标

• 解决超大质量黑洞（SMBH）形成与增长的未解宇宙历史，特别是早期宇宙时期的问题。
• 通过实现深空灵敏度与大天区覆盖相结合，克服现有巡天的局限，以采样完整的活动星系核（AGN）群体，包括遮蔽源与高红移源。
• 研究星系环境与并合事件在触发星系核活动及调节恒星形成中的作用。
• 表征活动星系核活动的活动周期，包括遮蔽与非遮蔽阶段之间的转换。
• 实现对X射线变异性进行统计研究，以推断宇宙时空中黑洞质量与吸积率。

提出的方法

• 提出利用具有大有效面积（收集面积）、宽视场和锐利点扩散函数（PSF）的望远镜开展宽视场X射线巡天，以在数千平方度的天区实现深空灵敏度。
• 利用重复观测实现对活动星系核X射线变异性监测，灵敏度可达在数小时至数年时间尺度上检测到约20%的通量变化。
• 利用约6.4 keV处的铁Kα线（在红移z≥1时红移到约3 keV）作为光谱诊断工具，以识别康普顿厚型活动星系核并独立于光学数据测量红移。
• 结合X射线数据与多波段后续观测（光学、红外、射电）对活动星系核类型进行分类，确定遮蔽程度，并研究宿主星系特性。
• 利用与未来光学巡天（如LSST、Pan-STARRS）的协同效应，将X射线变异性与光学暂现源及时域现象进行交叉匹配。
• 建立预期源密度与红移分布的模型，以证明WFXT相比现有及未来任务（如NuSTAR、Simbol-X、EXIST）在统计能力上的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 最早的超大质量黑洞是在何时、以何种机制形成，其在大爆炸后第一个十亿年内实现快速增长的机制是什么？
• RQ2 宇宙环境——尤其是星系并合与相互作用——如何调节星系核活动与恒星形成在整个宇宙时空中演化？
• RQ3 星系生命周期中核活动的完整历史是什么，包括活动周期以及遮蔽与非遮蔽吸积阶段的相对时序？
• RQ4 活动星系核的X射线变异性在多大程度上与黑洞质量及吸积率相关联，是否可据此推断高红移处的物理特性？
• RQ5 在z≥1时，康普顿厚型活动星系核的真实群体规模如何，它们对宇宙X射线背景的贡献有多大？

主要发现

• WFXT在100 deg²的巡天中可探测约10^5个活动星系核，其通量灵敏度足以检测到20%的通量变异性，从而支持稳健的统计研究。
• 该任务将提供在z≥1处具有统计显著性的真正康普顿厚型活动星系核样本——此前难以获取——为超大质量黑洞增长的遮蔽阶段提供直接洞察。
• WFXT将探测到约10^5个具有足够光子统计的活动星系核，可测量其X射线变异性，从而通过本地活动星系核中观测到的标度关系推断黑洞质量与吸积率。
• 该巡天将识别出来自潮汐撕裂事件的瞬变X射线爆发，预测每千分之一年每星系可探测到约10^-5次，从而支持对星系中心恒星动力学的研究。
• 与现有及未来任务（如NuSTAR、EXIST、Simbol-X）相比，WFXT提供了大收集面积与宽视场的独特结合，使高红移与遮蔽型活动星系核的源统计数量实现数量级的提升。
• 该任务将通过探测高红移、高度遮蔽的活动星系核缺失群体，解决观测到的宇宙X射线背景与已知活动星系核群体之间的差异。