[论文解读] Weighing black holes from zero to high redshift

A. Marconi, D. J. Axon+5 more|ArXiv.org|Sep 2, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 3

一句话总结

本文通过考虑宽线区云团所受的辐射压力，校正了经典的黑洞质量估算方法，若忽略此效应，将显著低估黑洞质量。作者表明，在高光度下，辐射压力可能使宽线区脱离引力束缚，挑战类星体中标准virial质量估算的有效性，并提示许多高红移类星体的宽线区可能处于引力非束缚状态。

ABSTRACT

The application of the virial theorem provides a tool to estimate supermassive black hole (BH) masses in large samples of active galactic nuclei (AGN) with broad emission lines at all redshifts and luminosities, if the broad line region (BLR) is gravitationally bound. In this paper we discuss the importance of radiation forces on BLR clouds arising from the deposition of momentum by ionizing photons. Such radiation forces counteract gravitational ones and, if not taken into account, BH masses can be severely underestimated. We provide virial relations corrected for the effect of radiation pressure and we discuss their physical meaning and application. If these corrections to virial masses, calibrated with low luminosity objects, are extrapolated to high luminosities then the BLRs of most quasars might be gravitationally unbound. The importance of radiation forces in high luminosity objects must be thoroughly investigated to assess the reliability of quasar BH masses.

研究动机与目标

• 解决由于宽线区云团未计入辐射压力而导致活动星系核中黑洞质量系统性低估的问题。
• 校准包含辐射压力修正的virial质量估算方法，使其适用于不同红移和光度范围。
• 评估virial定理假设——即宽线区在高光度类星体中为引力束缚——的有效性。
• 评估在高红移和高光度下，标准单次观测与测光延迟映射质量估算是否依然可靠。
• 确定辐射压力主导引力的临界光度，即可能使宽线区脱离引力束缚的临界光度。

提出的方法

• 推导包含辐射力项的校正virial关系（公式1），从而修改宽线区云团所感知的有效引力势。
• 引入与光度成正比、与云团柱密度成反比的辐射压力修正项，基于电离光子的动量沉积。
• 利用具有测光延迟映射数据的本地活动星系核校准校正后的virial质量估算器，确保与M_BH–σ关系一致。
• 将校正关系应用于大规模SDSS类星体样本（Shen et al. 2008），评估在不同红移和光度下的质量修正。
• 利用R_BLR–L关系估算宽线区半径，并结合谱线宽度测量，计算包含与不包含辐射修正的virial质量。
• 通过比较光度与临界光度L*（辐射压力与引力平衡处）分析爱丁顿比分布及宽线区的束缚状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 电离光子产生的辐射压力如何影响virial质量估算中推断的黑洞质量？
• RQ2 与低光度活动星系核相比，高光度类星体中辐射压力对virial质量估算的修正量有多大？
• RQ3 在何种光度下，辐射压力强到足以使宽线区脱离引力束缚，从而违反引力束缚的基本假设？
• RQ4 校正后的virial质量如何影响高红移类星体中爱丁顿比的观测分布？
• RQ5 当考虑辐射压力时，当前的单次观测与测光延迟映射质量估算在多大程度上仍保持有效？

主要发现

• 辐射压力修正降低了宽线区云团所感知的有效引力势，导致测光延迟映射中的virial因子f比标准估算值小约2倍。
• 对于中等光度（L ~ 10^11 L_sun）和柱密度（N_H ~ 10^23 cm^-2）的系统，辐射压力修正可达约2.7 × 10^7 M_sun，与典型赛克特星系黑洞质量量级相当。
• 在光度L > 10^12 L_sun的高红移类星体中，辐射压力修正主导virial项，导致黑洞质量与光度呈线性关系，而非与virial乘积成比例。
• 对于高光度类星体，爱丁顿比分布趋于饱和于L/L_Edd ~ 0.15，表明宽线区在这些光度下正接近引力解绑状态。
• 大量高光度类星体位于宽线区可能非束缚的区域（L在L_Edd与L*之间），挑战了标准virial质量估算的有效性。
• 分析表明，许多具有FWHM < 10,000 km/s且L > 10^12 L_sun的类星体接近临界光度L*（辐射压力与引力平衡处），表明这些源中virial假设存在根本性失效。