論文紹介

Extremely Red Quasars in BOSS

F.Hamann, N.L.Zakamska, N.Ross, I.Paris, R.M.Alexandroff, C.Villforth, G.T.Richards, H.Herbst, W.N.Brandt, B.Cook, K.D.Denney, J.E.Greene, D.P.Schneider, M.A.Strauss

arXiv:1609.07241

Introduction

• ERQ (Extremely Red Quasar) として観測される天体
  Dusty (Red) Quasar
  Type 2 Quasar
  BAL Quasar

• z>2 ERQ の幾つかの天体に見られる特徴
  Rest UV (Ruan et al. 2015)
  　Broad line の EW が非常に大きい
  　Broad line に Lorentzian wing が無い
  　輝線比が少し違う(NV1240, AlIII1860, SiIV1400 などが強い)
  　→ 普通ではない？

  Rest Optical (Zakamska et al. 2016)
  　[OIII]5007 の幅が~5000km/s で blue wing 大
  　→ ~1kpc スケールの outflow

  その他 (Hamann et al. 2016a, in prep)
  　CIV などの高励起輝線が ~2500km/s 程度 blueshift

Quasar Samples and Datasets

2.0<z<3.4 にした理由
　Lyα, NV が BOSS で観測されている
　CIV が i -band mag に影響しない
　i - W3 color はこの範囲内ではあまり z 依存性がない(Fig.9)

Line & Continuum Measurements

• CIV1549,NV1240,continum slope α_λ (rest 1360-2230Å) を fit
  　CIV は 2 gaussian → REW, FWHM, kt₈₀≡Δv(80%)/Δv(20%) (kurtosis index)
  　kt₈₀ は通常の gaussian では 0.372 だが、quasar では通常 0.15-0.3
  　この line 形状をテンプレートとして NV を fit

Analysis

• REW(CIV) の分布

  

• FWHM(CIV) の分布

  

• i - W3 color
  z ~2.5 で、i ~0.2μm, W3 ~3.4μm
  r - W4 (Ross et al. 2015) よりも ERQ を定義する良い指標になる(後述)

Color versus Luminosity Dependence of REW(CIV)

• REW(CIV) の分布
  ERQ は REW(CIV) が大きいものが多い
  ERQ では 45% が REW(CIV) >150Å (全体では 1.3%)

  W3 sample で REW が小さいのは Baldwin effect によるもの
  (W3 sample は暗い天体が少なくなる)

• Baldwin effect (BAL を除く)

  

  W3 sample の方が右下にずれている
  ERQ は暗くて REW が大きいのは Baldwin effect と consistent に見えるが、
  ~3mag 程度の減光補正をすると ~1.2 桁右にずれて合わなくなる

• i - W3 color

  

  W3 sample で、i - W3 color は 2 をピークに赤い側で減っていくが、
  REW(CIV) >150Å 天体の割合は赤くなるほど増える(Baldwin effect も関係)
  数としては i - W3 >4.6 でもう１山あるので、これらを ERQ と定義

• 他の WISE band での color

  

  REW 大が予想される faint blue quasar は右下の WISE 検出限界以下
  に入るので、REW の分布が不完全で話が難しくなる

  一方で、REW >150Å の赤/橙の点は右上方向に伸びており、
  wingless profile (kt₈₀ > 0.33) を持つものが増える
  → 何らかの関係がありそう

• blue quasar での REW >150Å 分布

  

  Baldwin effect で暗いものでは増加するが、i ~21.4 では 5%
  ERQ では 25% で、赤くなるほど割合は増加
  → Baldwin effect よりも赤いことによる影響の方が大きく、
  　 extinction 補正をすると更に違いが大きくなる
  → Baldwin effect は ERQ では無視していいかな...

Exotic Line Properties tied to i-W3 Color

• kt₈₀ と W3, REW, i - W3 の関係

  

  赤(Type 1)&橙(Type 2)は　i - W3 >4.6 (上中段) または REW(CIV) > 100 (下段)
  赤い天体は赤外で明るく、wingless で REW大
  NV/CIV は色々だが faint blue quasar よりは比が大きい

• 輝線形状の比較

  

  黒： core ERQ (i - W3 >4.6, REW(CIV) >100) の内 Type 1 である 57 天体
  赤： faint blue quasar (i - W3 <3.5, REW(CIV) >100)
  緑： luminous blue quasar (i - W3 <3.5, W3 が core ERQ と同程度)

  NV/CIV 比は ERQ と luminous blue quasar は同程度で、metallicity 大で明るい quasar の特徴
  

Redshift Distribution

• redshift 分布

  

  普通の quasar にはほんの少し z大で青くなる傾向があるがここでは無視
  

W3-W4 and the advantages of i-W3

• W4 よりも W3 を使う方が良い理由
  感度が高いことの他に

  

  i とのカラーが赤外カラーによらず大体一定で、輝線が特殊なものを分離しやすい

• W3-W4 は赤化とは関係なく、dust の温度で決まる
  → 中心付近の hot dust の寄与は通常の quasar と同じだが、分布が異なる？

Specific Thresholds in i-W3 & REW(CIV)

• Fig.9 の３つに領域ごとに分けてみる (上段：REW>100, 下段：30<REW<70)

  

  REW(CIV) >100 かつ i - W3 >4.6 で輝線形状が急激に変化することが確認できる
  → core ERQ は単に REW の大きい天体が赤化を受けたものではない

  通常の ERQ は E(B-V)~0.3 の赤化で SED が大体合うのに対し、core ERQ は異なる

A Unique Red Quasar Population

The Core ERQ Sample

• DR12Q で自動 fit できなかった ERQ のスペクトルを再解析 → core ERQ ２天体を追加
  合計 97 天体、median <z>=2.5、3/4 が Type 1
  L_bol を推定するのは難しいが、W3 が extinction の影響を受けていないとすると
  <W3> ~16.1 → log L_bol ~ 47.1 (factor ２は異なる可能性がある)

• core ERQ のスペクトル (30天体分)

  

  全て CIV の red 側は wingless で、blue 側に BAL 状の吸収や wing が少し見られる
  NV/CIV 大だが、小のものは CIV の形状が対称になっている
  SiIV1400, AlIII1860 が強い場合もある
  これらの輝線比に関しては次の論文で...

  

Radio Properties

• 91天体は FIRST 観測領域内にあるが検出(>1mJy)は８天体のみ
  → SF だと 8000Mo/yr にもなるので、多分 AGN の Jet からの放射

• 上記８天体中の２天体は、電波源であることから BOSS に入れられたので
  この２天体を除いた 6/89=6.7% が core ERQ での radio loud 率となる
  → 2.4<z<2.9 の quasar では、M₂₅₀₀<-26.6 (DR12Q の上位10%)でこの割合が一致

Broad Outflow Absorption Lines

• core ERQ の FWHM(CIV) >2000km/s 71天体中 14天体(~20%)に BAL あり
  → Type 1 W3 sample 全体では BAL率 14% なので、やや BAL率大
  (速度差の小さい BAL は始めの段階で sample から除いているため underestimate)

• BAL の例(かなり弱いので自動検出は無理)

  

  core ERQ での BAL率は全体で多分 30% 以上と推定 (う~ん...)

Emission Line Widths & Type 1 versus 2

• core ERQ の輝線幅は小さ目(Fig.2)
  <FWHM(CIV)> = 3050km/s、W3 が同程度の blue quasar では 5836km/s
  Type 1/2 の境目が 2000km/s なので core ERQ では識別は結構曖昧で輝線形状も変
  → 統一モデルでの説明が困難

• 輝線幅 2000km/s 以下でも Type 1 とされた天体

  

  許容線が強く、NV が強かったり弱い BAL があったりする(<2000km/s 天体の半数程度)

  core ERQ の内、４天体は近赤外で分光されている (Zakamska et al. 2016)
  → [OIII]5007 の輝線幅が 2500-5000km/s
  → BLR から NLR にかけての outflow ？

SEDs Inconsistent with Simple Reddening

• core ERQ の SED の２色図

  

  r - z では CIV が r に入る z>2.7 天体は除いた
  SED 全体の曲がりが単純な dust による赤化では説明できない
  BOSS target の selection effect として可視で赤すぎるものは入らないが、
  core ERQ の存在を否定する要素ではない

Comparisons to HotDOGs & Highly-Reddened Quasars

• core ERQ と red quasar, HotDOG との SED 比較

  

  通常の red quasar は REW 小の ERQ sample と同様、quasar 全体が赤化を受けたもの
  core ERQ の SED はむしろ HotDOG に近い
  → HotDOG は log L_bol ~ 47-48 で core ERQ はこの底辺レベル

• core ERQ の WISE ２色図

  

  シンボルは Fig.9 と同じ
  HotDOG (W2 - W3 >3.08) や通常の red quasar (W1 - W2 >0.8) ほどの赤さはない
  HotDOG の rest UV には OB型星の寄与も考えられているが、core ERQ は明らかに AGN

Expanding the Sample

• core ERQ に近い天体を探す
  2.0<z<4.0、wingless CIV (kt₈₀ >0.33) に加えて
  CIV peak / cont. >4、NV/CIV >1.5、kt₈₀ 特大、i - W3 >4.6、REW(CIV) >100 のどれか
  → 228天体 (その他 i - W3 >4.6 sample から目で wingless 7天体を追加)

• スペクトル例

  

  BAL の有無は選定条件には入っていないが、BAL が多い (Type 1 の 68%)
  BAL が kt₈₀ にほぼ影響を与えていない事は確認済み
  → ERQ like になるには BAL が関係している可能性が高い

• i - W3 の条件を課さなくても輝線の条件だけで i - W3 ~4.6 になる
  → 特殊な輝線形状や強度、輝線比と i - W3 は関係がある

Extreme CIV Blueshifts

• CIV やその他の高励起 broad line の blueshift が大きい
  (Lyα, HeII, FeII の narrow line 成分やその他低励起輝線で決めた systemic z に対して)
  Fig.12a, Fig.12b, Fig.18 の茶色の縦線が systemic z
  → >2500km/s の blueshift 天体は core ERQ + ERQ like で systemic z が決定できた天体の 8%
  (通常の quasar では 0.13% しかない)
  blueshift 大ものは皆 FWHM 大だった

• blueshift 大なら REW(CIV) 大
  通常の quasar (Richards et al. 2011) とは逆の傾向
  → 通常の quasar とは状況が異なる

Sky Densities

• core ERQ 0.010/deg², +ERQ like 0.035/deg²
  (luminous red quasar 0.02deg² と同程度で HotDOG 0.0058deg² より多い)
  W3 が同程度の明るさの luminous blue quasar の 1.6% と 5.1% で、
  quasar 活動の一時期だとすると数％の期間この状態になる

Discussion

以下、core ERQ + ERQ like を単に ERQ と呼ぶ

On the Origins of Red i-W3 Colors

• Type 2 quasar も flat UV + red Optical continuum
  → scattered light か patchy obscuration
  (Mrk 231 は偏光を示さないので後者)
  flat UV は ~0.01pc サイズから出るので、これよりも clouds が小さくないとダメ

• HotDOG の一部には broad line があるので、それらと ERQ は星では説明不可

• electron scattering でも説明可
  accretion disk 内縁部の上方に ionised gas があり、BAL wind を作り X を弱めている
  ERQ はこれら BAL quasar の状況の更に極端なもの
  → しかし、これでは強い broad line を出すことがでない...

• accretion disk 内縁部が壊れた？
  これでも flat UV のまま continuum を弱められるが、数年以内に
  broad line が弱くなるはず → SDSS/BOSS/VLT でスペクトルに大きな変化はなし

• Hot dust の covering factor は通常は 30-70%
  dusty wind による赤化であればもっと covering factor を上げられる
  → しかし、このシナリオでの mid-IR の増光は 0.8mag 程度で 3mag には届かない

• Hot dust の温度は 850K 必要なので、星では無理(せいぜい ~60K)
  温度が低くなると W3 - W4 (Fig.10) が赤くなりすぎる
  PAH 輝線による寄与も PAH が UV で壊れるため無理

Toward a Physical Model

• dust はどこにあるのか？
  red quasar の場合は銀河スケールだが、ERQ の場合は中心核付近に patchy 分布
  → high-speed outflow で銀河スケールにまで拡散される可能性はある

  BLR のすぐ外側での patchy cloud でも説明可
  10⁹Mo の BH から 1pc の距離では、~0.001pc サイズの clump なら安定に存在できる

• orientaion effect では wingless profile などの輝線の性質と [OIII] の高速成分が説明できない
  → ERQ は、通常の BLR に加えて高速 outflow の寄与が大きい

• 高速 outflow を伴う quasar は UV source が soft で REW 小が普通
  → ERQ は BLR から NLR にかけて高速 outflow がつながっている前代未聞のケース
  → 高速 outflow (clumpy & dusty) そのものが UV source 領域を隠し、輝線として再放射
  → 通常の BAL cloud とは異なり dust を含むため不透明で、BAL feature が出にくい
  → triggering event から HotDOG を経て ERQ となり通常の quasar に進化する感じ？