[论文解读] Zooming into the broad line region of the gravitationally lensed quasar Q2237+0305 = the Einstein Cross: III. Determination of the size and structure of the CIV and CIII] emitting regions using microlensing

Dominique Sluse, Robert W. Schmidt+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2010

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 5被引用 47

一句话总结

本研究利用引力透镜类星体 QSO 2237+0305（爱因斯坦十字）中的微引力透镜效应，测量了 C IV 和 C III] 宽线区的大小与结构。通过分析 39 个光谱测光监测点，并对模拟的微引力透镜光曲线应用贝叶斯建模，研究者确定 C IV 发射区的半光半径为 66⁺¹⁰⁻⁴⁶ 天光（0.06⁺⁰.⁰⁹⁻⁰.⁰⁴ pc），与半径-光度关系一致，由此推算出黑洞质量为 10⁸.³⁺⁰.³ M☉。

ABSTRACT

We aim to use microlensing taking place in the lensed quasar Q2237+0305 to study the structure of the broad line region and measure the size of the region emitting the CIV and CIII] lines. Methods: Based on 39 spectrophotometric monitoring data points obtained between Oct. 2004 and Dec. 2007, we derived lightcurves for the CIV and CIII] emission lines. We used three different techniques to analyse the microlensing signal. Different components of the lines (narrow, broad and very broad) are identified and studied. We built a library of simulated microlensing lightcurves that reproduce the signal observed in the continuum and in the lines provided only the source size is changed. A Bayesian analysis scheme is then developed to derive the size of the various components of the BLR. Results: 1. The half-light radius of the region emitting the CIV line is found to be R_CIV ~ 66^{+110}_{-46} lt-days = 0.06$^{+0.09}_{-0.04}$ pc = 1.7$^{+2.8}_{-1.1}$\,10$^{17}$ cm (at 68.3% CI). Similar values are obtained for CIII]. Relative sizes of the carbon-line and V-band continuum emitting-regions are also derived with median values of R(line)/R(cont) in the range 4 to 29, depending of the FWHM of the line component. 2. The size of the CIV emitting region agrees with the Radius-Luminosity relationship derived from reverberation mapping. Using the virial theorem we derive the mass of the black hole in Q2237+0305 to be M_BH ~ 10^{8.3+/-0.3} M_sun. 3. We find that the CIV and CIII] lines are produced in at least 2 spatially distinct regions, the most compact one giving rise to the broadest component of the line. The broad and narrow line profiles are slightly different for CIV and CIII]. 4. Our analysis suggests a different structure for the CIV and FeII+III emitting regions, with the latter produced in the inner part of the BLR or in a less extended emitting region than CIV.

研究动机与目标

• 利用微引力透镜效应测量高光度类星体 QSO 2237+0305 中宽线区（BLR）的物理尺寸与结构复杂性。
• 通过分析线轮廓中不同速度区间的微引力透镜差异，解析 C IV 和 C III] 发射成分的空间分布。
• 检验所测 BLR 尺寸与由测延时映射获得的半径-光度关系的一致性。
• 利用维里定理和微引力透镜推导的尺寸估计值推断黑洞质量。
• 探究不同电离态（如 C IV 与 Fe II+III）是否起源于 BLR 内空间分离的区域。

提出的方法

• 在 2004 年 10 月至 2007 年 12 月期间，获取了爱因斯坦十字的 39 个光谱测光监测数据点，构建了时间分辨的发射线光曲线。
• 应用三种独立技术分析微引力透镜信号：在速度切片上分析差分光曲线、将发射线分解为高斯组分，以及与模拟的微引力透镜光曲线进行比较。
• 开发了一套贝叶斯分析框架，通过仅改变源大小的模拟微引力透镜光曲线拟合，估计发射区的半光半径。
• 将发射线建模为具有不同 FWHM（如 C IV 的窄组分：~2600 km s⁻¹，宽组分：~6300 km s⁻¹；C III] 的三组分）的高斯组分之和，以分离空间上独立的发射区域。
• 利用维里定理，基于测得的 BLR 尺寸和线宽推导黑洞质量，假设处于维里平衡状态。
• 比较不同发射线组分的微引力透镜振幅，以推断其相对大小与空间结构，其中更强的微引力透镜信号表明更紧凑的发射区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 QSO 2237+0305 中 C IV 和 C III] 宽线区的物理尺寸是多少，其受微引力透镜约束？
• RQ2 C IV 和 C III] 发射线是否产生于空间上分离的区域？若然，它们的尺寸与运动学特性有何差异？
• RQ3 微引力透镜信号是否在发射线的不同速度组分中系统性变化？这对其 BLR 几何结构有何启示？
• RQ4 C IV 和 Fe II+III 发射区的尺寸如何比较？这对其在 BLR 内位置有何暗示？
• RQ5 所测 BLR 尺寸是否与由测延时映射导出的半径-光度关系一致？这对黑洞质量有何启示？

主要发现

• C IV 发射区的半光半径测定为 66⁺¹⁰⁻⁴⁶ 天光（0.06⁺⁰.⁰⁹⁻⁰.⁰⁴ pc），置信水平为 68.3%。
• C III] 发射区的尺寸与 C IV 区域相似，表明这些高电离态线具有相近的空间范围。
• 发射区尺寸与 V 波段连续谱尺寸的比值在 4 到 29 之间变化，具体取决于线组分的 FWHM，表明更宽的组分起源于更紧凑的区域。
• C IV 和 C III] 线至少来自两个空间上分离的组分：一个紧凑的宽组分和一个更扩展的窄组分，其中最宽的组分表现出最强的微引力透镜效应。
• Fe II+III 发射表现出强烈的微引力透镜效应，但无扩展组分，表明其起源于 BLR 内最内层、最紧凑的区域。
• 根据维里定理推导的黑洞质量为 M_BH ~ 10⁸.³⁺⁰.³ M☉，与半径-光度关系及微引力透镜尺寸测量结果一致。