Demographics of supermassive black holes [Elektronische Ressource] / Andreas Schulze. Betreuer: Lutz Wisotzki

Andreas Schulze

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• Astronomie

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 22
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Demographicsof
supermassiveblackholes
AndreasSchulze
¨Leibniz-InstitutfurAstrophysikPotsdam(AIP)
DissertationzurErlangungdesakademischenGrades
doctorrerumnaturalium(Dr.rer.nat.)
inderWissenschaftsdisziplinAstrophysik
EingereichtanderMathematisch-NaturwissenschaftlichenFakultat¨
¨derUniversitatPotsdam
Mai2011This work is licensed under a Creative Commons License:
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URN urn:nbn:de:kobv:517-opus-54464
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-54464 Contents
Abstract 5
Zusammenfassung 7
1 Introduction 9
1.1 ActiveGalacticNuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Supermassiveblackholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Blackhole-galaxyco-evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Thegrowthofsupermassiveblackholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 Outlineofthiswork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 LowredshiftAGNintheHamburg/ESOSurvey
I.ThelocalAGNluminosityfunction 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Emissionlineproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 AGNluminosities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5 Luminosityfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 LowredshiftAGNintheHamburg/ESOSurvey
II.TheactiveblackholemassfunctionandthedistributionfunctionofEddingtonratios 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 TheSample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 MeasurementofEmissionLineWidths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 BlackholemassfunctionandEddingtonratiodistributionfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6 ReconstructionoftheintrinsicBHMFandERDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 AccountingforscatterinvirialblackholemassesintheAGNdistributionfunctiondetermination 59
4.1 Includingscatterinthemaximumlikelihoodapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 EffectofinvirialblackholemassesontheAGNdistributionfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Canweconstrainthestatisticalscatter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Intrinsicscatterbudgetforthevirialmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5 Selectioneffectsintheblackhole-bulgerelationsanditsevolution 65
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Thelocal M − M relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
• Bulge
5.3 BiasesofbroadlineAGNsamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4 Evolutioninthe M − M relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
• Bulge
5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.A Validationofthebivariateprobabilitydistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Accountingforselectioneffectsintheblackhole-bulgerelationsanditsevolution 87
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Maximumlikelihoodfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3 MonteCarlotests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4 Measurementuncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.5 Applicationtoobservationalstudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967 Effectofadarkmatterhaloonthedeterminationofblackholemasses 97
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.2 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.3 DynamicalModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.4 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5 Comparisonofblackholemasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.6 Theblackhole-bulgerelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8 Conclusions&Outlook 111
8.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.2 Futureperspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Acknowledgements 115
Listofpublications 117Abstract
Supermassive black holes are a fundamental component of the universe in general and of galaxies in particular.
Almost every massive galaxy harbours a supermassive black hole (SMBH) in its center. Furthermore, there is a
closeconnectionbetweenthegrowthoftheSMBHandtheevolutionofitshostgalaxy,manifestedintherelation-
shipbetweenthemass ofthe blackhole andvariouspropertiesof thegalaxy’sspheroidcomponent, likeitsstellar
velocitydispersion,luminosityormass.UnderstandingthisrelationshipandthegrowthofSMBHsisessentialfor
our picture of galaxy formation and evolution. In this thesis, I make several contributions to improve our knowl-
edgeonthecensusofSMBHsandonthecoevolutionofblackholesandgalaxies.
The first route I follow on this road is to obtain a complete census of the black hole population and its properties.
Here,Ifocusparticularlyonactiveblackholes,observableasActiveGalacticNuclei(AGN)orquasars.Theseare
found in large surveys of the sky. In this thesis, I use one of these surveys, the Hamburg/ESO survey (HES), to
study the AGN population in the local volume (z ≈ 0). The demographics of AGN are traditionally represented
by the AGN luminosity function, the distribution function of AGN at a given luminosity. I determined the local
(z < 0.3) optical function of so-called type 1 AGN, based on the broad band B magnitudes and AGNJ
broadHαemissionlineluminosities,freeofcontaminationfromthehostgalaxy.Icombinedthisresultwithfainter
datafromtheSloanDigitalSkySurvey(SDSS)andconstructedthebestcurrentopticalAGNluminosityfunction
at z ≈ 0. The comparison of the luminosity function with higher redshifts supports the current notion of “AGN
downsizing”, i.e. the space density of the most luminous AGN peaks at higher redshifts and the space density of
lessluminousAGNpeaksatlowerredshifts.
However, the AGN luminosity function does not reveal the full picture of active black hole demographics. This
requiresknowledgeofthephysicalquantities,foremosttheblackholemassandtheaccretionrateoftheblackhole,<