宇宙初期における超巨大ブラックホール形成についての理論的研究

• Project/Area Number: 15J03873
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Astronomy
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 杉村 和幸 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 超巨大ブラックホール / 降着円盤 / 星形成 / 非平衡化学過程

Outline of Annual Research Achievements

観測から銀河中心に普遍的に存在することが知られている百万太陽質量以上の超巨大ブラックホールは、強力な輻射やアウトフローにより銀河の形成・進化に大きな影響を与えた重要な天体であり、超巨大ブラックホールの形成過程を明らかにすることは現代の天文学における大きな課題の一つとなっている。本年度は超巨大ブラックホール形成シナリオの主な候補の一つである初代星シナリオに注目して研究を進めた。初代星シナリオにおいては、初代星起源の種ブラックホールが観測されているような宇宙初期の超巨大ブラックホールまでガス降着によって急成長することが想定されるが、そのような急成長が実際に起こるかが問題となっている。
昨年度の研究により、ブラックホール近傍からの輻射の非等方を考慮すると、降着流とアウトフロー領域の棲み分けが起こって高い降着率が実現する場合があることが発見された。しかし、その研究を含むこれまでの研究では降着するガスの角運動量が非常に小さい場合のみが調べられていたため、本年度の研究では、回転するガスがブラックホール降着円盤外縁に降着する過程についての軸対称2次元シミュレーションをおこない、有限の角運動量がガス降着に与える影響について調べた。
その結果、輻射の非等方性が大きな場合においても、角運動量が非常に小さくない限り降着率は大きく低下することが明らかになった。本研究で得られた高い降着率を実現するのに必要な角運動量の条件は、種ブラックホールへのガス降着率に対する角運動量の影響を考える上で基礎となる重要な結果と言える。
本研究により、銀河中のガスがブラックホールに降着する際の角運動量の持ち込みが種ブラックホールの成長にとって重要であることが示された。今後の研究では、注目するスケールを銀河スケールまで押し広げることで、今回調べたスケールと銀河スケールを統合したモデル化をおこなうことが期待される。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] メリーランド大学(米国)
• [Int'l Joint Research] メリーランド大学(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Bari Aldo Moro/INAF-Arcetri Astrophysical Observatory(イタリア)
• [Journal Article] Rapid Black Hole Growth under Anisotropic Radiation Feedback (2017)
  • Author(s): Sugimura, Kazuyuki; Hosokawa, Takashi; Yajima, Hidenobu; Omukai, Kazuyuki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 未定 Issue: 1 Pages: 62-79
  • DOI: 10.1093/mnras/stx769
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fates of the dense cores formed by fragmentation of filaments: do they fragment again or not? (2017)
  • Author(s): Sugimura Kazuyuki、Mizuno Yurina、Matsumoto Tomoaki、Omukai Kazuyuki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 469 Issue: 4 Pages: 4022-4033
  • DOI: 10.1093/mnras/stx1129
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dusty Gas Accretion onto Massive Black Holes and Infrared Diagnosis of the Eddington Ratio (2017)
  • Author(s): Yajima Hidenobu、Ricotti Massimo、Park KwangHo、Sugimura Kazuyuki
  • Journal Title: ApJ Volume: 846 Issue: 1 Pages: 3-3
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa8269
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Role of the H2+ channel in the primordial star formation under strong radiation field and the critical intensity for the supermassive star formation (2016)
  • Author(s): K. Sugimura, C. M. Coppola, K. Omukai, D. Galli and F. Palla
  • Journal Title: MNRAS Volume: 456 Issue: 1 Pages: 270-277
  • DOI: 10.1093/mnras/stv2655
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 種ブラックホールへのガス降着率に対するガスの角運動量の影響 (2018)
  • Author(s): 杉村和幸
  • Organizer: 超巨大ブラックホール研究推進連絡会第5回ワークショップ
• [Presentation] 種ブラックホールへのガス降着率に対するガスの角運動量の影響 (2018)
  • Author(s): 杉村和幸
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2017@呉
• [Presentation] Supermassive star formation with detailed modelling of primordial-gas chemistry (2017)
  • Author(s): K. Sugimura, C. M. Coppola, K. Omukai, D. Galli, F. Palla
  • Organizer: Francesco's Legacy: Star Formation in Space and Time
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブラックホール降着円盤へのガス降着率とガスの角運動量の関係 (2017)
  • Author(s): 杉村和幸、細川隆史、矢島秀伸、稲吉恒平、大向一行
  • Organizer: 日本天文学会2017年秋季年会
• [Presentation] 種ブラックホールのガス降着成長: 非等方輻射とガスの角運動量が降着率に及ぼす影響 (2017)
  • Author(s): 杉村和幸
  • Organizer: 第30回 理論懇シンポジウム
• [Presentation] フィラメント状ガス雲分裂により形成されたコアの形状進化 (2016)
  • Author(s): 杉村和幸、水野友理那 、松本倫明、大向一行
  • Organizer: 日本天文学会春期年会
  • Place of Presentation: 首都大学東京（東京都八王子市）
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Presentation] Conditions for Direct Collapse Black Hole Formation with Detailed Microphysics (2016)
  • Author(s): K. Sugimura, C. M. Coppola, K. Omukai, D. Galli, F. Palla
  • Organizer: First Stars V
  • Place of Presentation: Heidelberg (Germany)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rapidly Accreting Massive Black Holes: Feedback of Anisotropic Radiation from Accretion Disk (2016)
  • Author(s): K. Sugimura, T. Hosokawa, H. Yajima, K. Omukai
  • Organizer: First Stars V
  • Place of Presentation: Heidelberg (Germany)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大ブラックホールのガス降着進化：非等方輻射フィードバックの効果 (2016)
  • Author(s): 杉村和幸、細川隆史、矢島秀伸、大向一行
  • Organizer: 日本天文学会2016年秋期年会
  • Place of Presentation: 愛媛大学（愛媛・松山）
• [Presentation] 非等方輻射フィードバックの下での初代星起源BHのガス降着進化 (2016)
  • Author(s): 杉村和幸
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2016@金沢
  • Place of Presentation: 金沢歌劇座（石川・金沢）
• [Presentation] 宇宙初期の巨大ブラックホール種形成・成長 (2016)
  • Author(s): 杉村和幸
  • Organizer: 超巨大ブラックホール研究推進連絡会第4回ワークショップ
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京・三鷹）
  • Invited
• [Presentation] フィラメント状ガス雲分裂時のコアの形状進化 (2015)
  • Author(s): 杉村和幸
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会
  • Place of Presentation: 草津セミナーハウス（群馬県吾妻郡）
  • Year and Date: 2015-12-01