УДК 524.7-823
К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНКИ МАСС ЧЕРНЫХ ДЫР
ДАЛЕКИХ РАДИОГАЛАКТИК
2011г. М. Л. Хабибуллина, О. В. Верходанов
Учреждение Российской академии наук Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Нижний Архыз Карачаево-Черкесской Республики, Россия Поступила в редакцию 02.09.2010 г.; принята в печать 22.10.2010 г.
Для 2442 радиогалактик каталога, скомпилированного по данным архивов NED, SDSS, CATS, оценены массы сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Сравниваются оценки масс центральных объектов радиогалактик по оптическим фотометрическим данным и радиоданным. Построены соотношения "масса центральной черной дыры Mph — красное смещение zp" для обоих диапазонов длин волн. Обсуждаются особенности распределения источников на этих диаграммах и систематические эффекты, влияющие на оценки параметров. Рассчитаны огибающие кубические регрессии, построенные по максимумам оценок масс черных дыр. Кривые в разных диапазонах показывают схожее поведение и имеют очень близкий пик по положению zp = 1.9 и по амплитуде lg Mph = 9.4. Этот результат согласуется с моделью саморегулирующегося роста сверхмассивных черных дыр, когда наступает фаза окончания аккреционного потока и активность ядра галактики падает.
1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из центральных проблем исследования далеких радиогалактик (красное смещение г > 0.3) является вопрос происхождения и скорости роста сверхмассивных черных дыр (СМЧД) в их ядрах. Открытие радиогалактик на больших красных смещениях, таких как г = 5.19 (ТЫ Л0924—2201) [1], когда возраст Вселенной составлял всего £ ~ 1.1 х 109 лет (в модели с космологическими параметрами = 0.27, Од = = 0.73, Но = 70 км/с Мпк), и г = 4.515 [2] с £ ~ 1.3 х 109 лет, а также квазаров ^БО) в обзоре БОББ на красных смещениях г = 6.42 (Л14816.64+525150.3), г = 6.23 (Л04845.05+ +463718.3) и г = 6.05 (Л63033.90+401209.6) [3] с возрастом Вселенной £ ~ 850—900 млн. лет на момент излучения проявило проблему объяснения быстрого образования СМЧД в раннюю эпоху эволюции Вселенной. Отметим, что для квазара Л14816.64+525150.3 с г = 6.42 Уиллот и др. [4] по ширине эмиссии определили массу черной дыры как Ыьн = 3 х 109 М®. Быстрое (в течение 800 млн. лет) образование черных дыр в рамках ЛСЭМ-космологии требует применения особых моделей, объясняющих скорость их роста. Как в свое время было отмечено Лебом [5], если формирование массивных черных дыр описывается иерархической схемой так же, как и формирование их родительских галактик, то этот процесс должен
быть быстрым и эффективным. Часто для объяснения существования СМЧД привлекаются модели с первичными массивными черными дырами, сформировавшимися после Большого взрыва, но до образования галактик.
Считается, что СМЧД играют одну из центральных ролей в формировании и эволюции массивных галактик, а также являются ключевой составляющей в развитии активности ядра. Однако остается непонятным, как галактики и их центральные черные дыры связаны с процессом формирования наблюдаемых структур [6—8]. Одним из важных результатов, полученным из измерений масс черных дыр близких галактик, является существование заметной корреляции между массой черной дыры и массой балджа родительской галактики, откуда также следует корреляция между массой черной дыры и светимостью балджа [9, 10], корреляция между массой черной дыры и дисперсией скоростей звезд а (например, [11 — 16]). Хотя данный результат и основан на малом числе близких галактик (~30), для которых есть прямые измерения массы черной дыры, и, несмотря на разброс (~0.4 в логарифме массы черной дыры), эти эмпирические соотношения дают новый инструмент для оценки массы черной дыры в разных типах галактик с активными ядрами, если известны светимость балджа и (или) распределение звезд по скоростям [17—19]. Существование подобных корреляций может дать ограничение на параметры эволюции галактик с активными ядрами и позволит проверить, следуют
ли активные ядра галалактик именно этим соотношениям или нет.
Отметим также, что Франческини и др. [20] был установлен вид корреляции мощности радиоизлучения активного ядра галактики с массой черной дыры. В ряде работ также устанавливались соотношения между массой черной дыры и мощностью радиоизлучения для выборок близких галактик, но их результаты отличались друг от друга [21—24]. Обсуждение этой зависимости было распространено и на более активные галактики, такие как сейфертовские галактики и квазары (см., например, [23, 25-28]).
С использованием данных обзора SDSS [29] для квазаров в ряде групп были сделаны оценки скорости роста СМЧД. В работе [30] на основе выборки 9886 квазаров с широкими линиями (BLQSOs — broad line quasars) в интервале красных смещений 1 < z < 4.5 построена функция масс черных дыр. Авторы нашли подтверждение эффекту "downsizing"1 для черных дыр в BLQSOs, пик численной плотности которых смещается в сторону больших z с увеличением массы черной дыры. Этот пик находится на z ~ 2. Кроме того, Келли и др. [30] оценили полноту выборки SDSS как функцию массы черной дыры и отношения светимости квазара к эддингтоновской светимости L/LEdd и нашли, что на красных смещениях z > 1 выборка для масс черных дыр <109 Mq и L/LEdd < < 0.5 очень неполна. По их модели оценка времени жизни квазара как BLQSO примерно 150 млн. лет на z = 1 с массой черной дыры ~109 Mq . Другие авторы [31] построили выборку на базе SDSS, содержащую 105783 квазаров. Они использовали различные свойства объектов (излучение в линиях Ha, Нв, MgII, CIV; радиоданные; широкие абсорбционные линии) для оценки масс черных дыр в квазарах. Для соответствующих линий авторы получили логарифмические зависимости масс черных дыр от светимости и ширины линии.
В данной работе мы проверяем две зависимости масс черных дыр от радио- и оптической светимости, используемые в литературе при исследовании радиогалактик. По данным архивов SDSS, NED и CATS мы построили выборку далеких (z > 0.3) радиогалактик, для которых применили и сравнили описанные соотношения для масс черных дыр. Для расчета светимостей мы брали оптические данные в фильтре R и плотности потока в радиодиапазоне на частоте 5 ГГц. Кроме того, использовались следующие значения параметров в ЛCDM-космологии:
1 Сценарий "ранжирования с уменьшением", который объясняет зависимость эволюционной истории от массы, когда менее массивные эллиптические галактики имеют более долгую историю звездообразования, чем более массивные.
Н0 = 71 км/с Мпк, Пм = 0.27, Пл = 0.73. Для нашего исследования мы воспользовались каталогом далеких радиогалактик со спектроскопическими красными смещениями г > 0.3 [32—35], объекты которого были отобраны с помощью крупнейших баз данных.
2. ИССЛЕДУЕМАЯ ВЫБОРКА И ОЦЕНКИ МАСС
2.1. Исходные данные
Выборка радиогалактик с z > 0.3 [32—35] была построена с помощью инструментария и архивов
баз данных NED2 , CATS3 [36, 37], SDSS4 [28] и будет применяться в различных статистических и космологических тестах [37—39], требующих сравнительно большого числа объектов одной природы. Для построения первичного списка объектов использовалась база данных NED, из которой выбирались объекты с определенными параметрами, основные из которых — красное смещение (z > 0.3) и морфологические свойства (радиогалактики). Исходный каталог содержал 3364 объекта. Такая выборка галактик загрязнена либо объектами с неполной информаций, либо объектами с другими свойствами. Поэтому особое внимание было уделено чистке исходной выборки от лишних источников, к которым мы отнесли следующие галактики: (1) с красными смещениями, определяемыми фотометрическим методом, (2) со свойствами квазаров по имеющимся литературным данным. Окончательный каталог содержит 2442 источника со спектроскопическими красными смещениями, фотометрическими величинами и плотностями потоков в радиодиапазоне, размерами радиоисточников, а также радиоспектральными индексами, которые вычислялись по результатам кросс-идентификации с радиокаталогами, хранящимися в CATS, в диапазоне частот от 30 ГГц до 325 МГц.
2.2. Оценка масс СМЧД. Оптический диапазон
Для оценки масс СМЧД мы использовали соотношение между массой черных дыр и абсолютной звездной величиной в полосе К "Мьн — Мх" из работы [16], полученное в результате анализа звездных величин галактик и скоростей звезд в активных ядрах галактик:
г1 = -0.50(±0.02)Мд - 2.27(±0.48),
2 http://nedwww.ipac.caltech.edu.
3 http://cats.sao.ru.
4 http://www.sdss.org.
N N
Я
Рис. 1. Слева — распределение значений звездных величин в фильтре К для выборки радиогалактик. Справа — распределение значений масс черных дыр, полученных по данным фильтра К для выборки радиогалактик. Включенная в общее распределение повыборка радиогалактик обзора БОББ отмечена пунктирной линией.
где Mr — абсолютная звездная величина балджа в R-фильтре в предположении, что для эллиптической галактики балджем фактически является она сама.
Так как не для всех радиогалактик каталога имеются данные наблюдений в полосе R, то для ряда объектов были сделаны оценки R-светимости по данным в других фильтрах с применением базы данных распределений энергии в спектрах галактик [40]. С этой целью по фотометрическим данным оценивался возраст радиогалактики в предположении соответствия распределения энергии в спектре (SED — spectral energy distribution) объекта спектру эллиптической галактики. Используя красное смещение и возраст соответствующего модельного трека SED, мы определяли звездную величину в R-фильтре. В качестве базовой библиотеки треков мы воспользовались данными модели GISSEL [41], которая содержит синтетические спектры эллиптических галактик для возрастов от 200 млн. лет до 14 млрд. лет. Библиотека доступна как в пакете HyperZ [42], так и на сайте http://sed.sao.ru [40]. Распределение оценок и измерений звездных величин в фильтре R для используемой выборки радиогалактики показано на рис. 1.
Светимость рассчитывалась по формуле [43] (см. также [44]):
L = 4nFd2L(z), (1)
где F — регистрируемый поток излучения, dL(z) =
(1 + z)/c
г dz
— фотометрическое рассто-
Н(г')
яние, а Н(г) = Н°[ПД(1 + г)4 + Пт(1 + г)3 --(0° - 1)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.