[论文解读] The Hot and Energetic Universe: Understanding the build-up of supermassive black holes and galaxies at the heyday of the Universe

A. Georgakakis, F. J. Carrera+20 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用 16

一句话总结

本文提出，Athena+ X射线天文台将使对宇宙‘鼎盛期’（z=1–4）超大质量黑洞与星系共同演化的变革性研究成为可能。通过利用高吞吐量X射线谱学与大视场成像，Athena+将探测蓝移吸收线以研究活动星系核反馈，并识别出多达100倍更多的遮蔽活动星系核——尤其是康普顿厚源——从而解决黑洞增长与星系演化中的关键不确定性。

ABSTRACT

Observations in the last decade have provided strong evidence that the growth of supermassive black holes at the centres of galaxies is among the most influential processes in galaxy evolution. Open questions that relate to our current understanding of black hole growth and its relation to the build-up of galaxies at redshifts z=1-4, when most black holes and stars we see in present-day galaxies were put in place, include: what is the nature of AGN feedback and whether it plays a significant role in the evolution of galaxies? what is the dominant population of accreting AGN at that critical epoch? is it dominated by obscured objects as required by many current observations and models? The Athena+ mission concept will provide the technological leap required for a breakthrough in our understanding of AGN and galaxy evolution at the heyday of the Universe. The high throughput of Athena+ will allow the systematic study of the incidence, nature and energetics of AGN feedback processes to z~4 via the identification and measurement of blue-shifted X-ray absorption lines. The excellent survey and spectral capabilities of the Athena+ Wide Field Imager will complete the census of black hole growth by yielding samples of up to 100 times larger than is currently possible of the most heavily obscured, including Compton thick, AGN to redshifts z~4. The demographics of this population relative to their hosts is fundamental for understanding how major black hole growth events relate to the build-up of galaxies.

研究动机与目标

• 解决关于活动星系核反馈及其在黑洞与恒星形成高峰期（z=1–4）塑造星系演化中作用的开放性问题。
• 确定高红移时吸积活动星系核的主导群体，特别是遮蔽的、康普顿厚活动星系核是否主导吸积预算。
• 通过探测超出当前巡天极限的暗淡、高度遮蔽活动星系核，完成黑洞增长的全面普查。
• 建立活动星系核与其宿主星系之间的群体特征关联，以理解共同演化过程。
• 通过宇宙时空中蓝移X射线吸收线系统研究活动星系核反馈的能量学。

提出的方法

• 利用Athena+的高吞吐量X射线谱学探测并测量蓝移X射线吸收线，这是活动星系核中电离气体外流的直接示踪。
• 利用Athena+上的宽视场成像仪（WFI）开展深度、大范围的X射电天空巡天，以探测罕见的、高度遮蔽的活动星系核，红移可达z~4。
• 结合高光谱分辨率与高灵敏度，识别并表征目前大多数巡天中遗漏的康普顿厚活动星系核。
• 通过活动星系核样本的统计分析，确定遮蔽与未遮蔽活动星系核的比例及其随红移的演化。
• 将活动星系核属性（光度、遮蔽程度、外流速度）与宿主星系特征相关联，以评估共同演化趋势。
• 利用现有深度X射电巡天（如XMM-COSMOS、Chandra深空场）作为Athena+巡天设计与预期产出的参考基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z=1–4时期，活动星系核反馈的本质与影响是什么？它是否调节了恒星形成？
• RQ2 在z=1–4时期，超大质量黑洞的吸积是否主要由遮蔽或未遮蔽活动星系核主导，特别是康普顿厚源？
• RQ3 在高红移时，活动星系核（光度、遮蔽程度、外流特性）的群体特征如何与宿主星系的群体特征相关联？
• RQ4 在获得遮蔽活动星系核的完整普查后，当前黑洞增长与星系演化模型在多大程度上需要修订？
• RQ5 蓝移X射线吸收线能否作为宇宙时空中活动星系核外流与反馈能量学的可靠探针？

主要发现

• Athena+将实现对活动星系核外流中蓝移X射线吸收线的探测，为活动星系核反馈的实际作用提供直接证据。
• Athena+宽视场成像仪将使可探测活动星系核数量相比当前巡天最多提升100倍，尤其针对高度遮蔽与康普顿厚源。
• 该任务将实现对z~4时期黑洞增长的完整普查，解决高红移巡天中长期存在的遮蔽活动星系核缺失问题。
• 通过X射线谱学测量反馈的发生率与能量学，Athena+将量化反馈在抑制大质量星系中恒星形成过程中的作用。
• 高灵敏度与光谱分辨率的结合将使对z~4以内活动星系核遮蔽函数与光度函数的精确测定成为可能。
• Athena+的数据将支持统计研究，将活动星系核属性与宿主星系质量、恒星形成率及形态相关联，推动共同演化模型的发展。