Wide-field survey for supermassive black holes in the cosmic dawn

• Project/Area Number: 21H04494
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 松岡 良樹 愛媛大学, 宇宙進化研究センター, 准教授 (60547545)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥34,970,000 (Direct Cost: ¥26,900,000、Indirect Cost: ¥8,070,000); Fiscal Year 2025: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2024: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2023: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2021: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 巨大ブラックホール / 光学赤外線天文学 / ブラックホール / 銀河進化 / 遠方クエーサー発見 / 初期ブラックホール数密度の測定 / 遠方クエーサーの発見と測定 / ブラックホールの種族調査 / 光赤外線観測

Outline of Research at the Start

本研究ではすばる望遠鏡とEuclid宇宙望遠鏡による広域観測データを駆使し、ビッグバンから5-8億年（赤方偏移 z = 7 -9）の「宇宙の夜明け」の時代にクエーサーを探索する。巨大ブラックホールが宇宙に現れ出た時期を推定するとともに、発見天体の密度・周辺環境などの測定から、理論モデルとの比較により巨大ブラックホール形成メカニズムを解き明かすための統計サンプルを構築することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

すばる望遠鏡 Hyper Suprime-Cam の広域探査が順調に進展していくのに合わせて、その最新データを順次取得して遠方クエーサー探査アルゴリズムを適用し、候補天体を遠方クエーサー確率とともに抽出して、天体同定のためのスペクトル測定を進めた。この測定のために4月、12月、1月にすばる望遠鏡のFOCAS分光器を使用し、さらに年度前半を通して、スペイン領カナリア諸島に設置された大カナリア望遠鏡のOSIRIS分光器をキューモードにて使用した。得られたデータの解析を順次進め、新たに多数の遠方クエーサーを発見することに成功した。これまでに蓄積された天体と新規発見天体を組み合わせ、さらに前年度に推定済みの探査の完全性を補正する形で、遠方宇宙におけるブラックホール数密度の測定を行なった。これを光度の関数として描いたものは「光度関数」と呼ばれ、あらゆる天体種族の最も基本的な統計測定量であるが、赤方偏移７という遠方の宇宙で初めて、クエーサー光度関数を暫定的に決定することに成功した。現在その手順と結果をチェックしており、最終確定と、宇宙再電離への寄与を含めた示唆について共同研究者内で活発に議論を行っており、次年度に論文としての報告を目指している。
また欧州宇宙機関からの新たな宇宙望遠鏡 Euclid の打ち上げが間近に迫ったのに応じて、欧州・米国の研究者とオンライン会議を軸として連携し、Euclidデータを用いた遠方クエーサー探査について計画の検討・立案をおこなった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の最大の目標の1つは、各赤方偏移におけるクエーサーの光度関数を描くことである。光度関数をビッグバン開始以降の時間の関数としてつなぐことで、 巨大ブラックホールの形成・進化を紐解くことができる。当該年度には赤方偏移7付近においてクエーサー発見を順調に進め、前年度までの探査の完全性の見積もり結果と合わせて、暫定的に光度関数を決定することができた。このことから、計画はおおむね順調に進展していると判断する。

Strategy for Future Research Activity

赤方偏移7付近における光度関数を確定させるため、これまでにおこなった一連の測定手順をチェックして最終確認を行う。この光度関数を積分することでクエーサーの電離光子放射率を測定し、宇宙再電離への遠方クエーサーの寄与率を推定して、再電離の起源に制限を与える。また、これまでの探査では見つかりにくい塵に埋もれたブラックホール種族がどれほど存在するか、それらは手元のすばる望遠鏡データで検出され得るかについて新たな検討を開始する。一方で欧州宇宙機関が主導するEuclid衛星の打ち上げを見据え、そのデータを用いたさらなる遠方クエーサー探査のために、データの性質、候補抽出 のアルゴリズムなどについてさらなる検討を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Princeton University(米国)
• [Int'l Joint Research] Universitat de Barcelona(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Princeton University(米国)
• [Int'l Joint Research] Universitat de Barcelona(スペイン)
• [Journal Article] Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). XVIII. The Dark Matter Halo Mass of Quasars at z ~ 6 (2023)
  • Author(s): Arita Junya、Kashikawa Nobunari、Matsuoka Yoshiki、He Wanqiu、Ito Kei、Liang Yongming、Ishimoto Rikako、Yoshioka Takehiro、Takeda Yoshihiro、Iwasawa Kazushi、Onoue Masafusa、Toba Yoshiki、Imanishi Masatoshi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 954 Issue: 2 Pages: 210-210
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ace43a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evolution of the mass relation between supermassive black holes and dark matter halos across the cosmic time (2023)
  • Author(s): Bansal Aryan、Ichiki Kiyotomo、Tashiro Hiroyuki、Matsuoka Yoshiki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 523 Issue: 3 Pages: 3840-3847
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1608
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS). eFEDS X-ray view of WERGS radio galaxies selected by the Subaru/HSC and VLA/FIRST survey (2023)
  • Author(s): Ichikawa Kohei、Yamashita Takuji、Merloni Andrea、Li Junyao、Liu Teng、Salvato Mara、Akiyama Masayuki、Arcodia Riccardo、Dwelly Tom、Chen Xiaoyang、Imanishi Masatoshi、Inayoshi Kohei、Kawaguchi Toshihiro、Kawamuro Taiki、et al.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 672 Pages: A171-A171
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202244271
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray emission from a rapidly accreting narrow-line Seyfert 1 galaxy at <i>z</i> = 6.56 (2023)
  • Author(s): Wolf J.、Nandra K.、Salvato M.、Buchner J.、Onoue M.、Liu T.、Arcodia R.、Merloni A.、Ciroi S.、Di Mille F.、Burwitz V.、Brusa M.、Ishimoto R.、Kashikawa N.、Matsuoka Y.、Urrutia T.、Waddell S. G. H.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 669 Pages: A127-A127
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202244688
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Wide and Deep Exploration of Radio Galaxies with Subaru HSC (WERGS). IX. The most overdense region at <i>z</i> ? 5 inhabited by a massive radio galaxy (2022)
  • Author(s): Uchiyama Hisakazu、Yamashita Takuji、Nagao Tohru、Ono Yoshiaki、Toshikawa Jun、Ichikawa Kohei、Kawakatu Nozomu、Kajisawa Masaru、Toba Yoshiki、Matsuoka Yoshiki、Kubo Mariko、Imanishi Masatoshi、Ito Kei、Kawaguchi Toshihiro、Lee Chien-Hsiu、Saito Tomoki
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 6 Pages: 27-32
  • DOI: 10.1093/pasj/psac075
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical IFU observations of GOALS sample with KOOLS-IFU on Seimei Telescope: Initial results of nine U/LIRGs at < 0.04 (2022)
  • Author(s): Toba Y., Yamada S., Matsubayashi K., Terao K., Moriya A., Ueda Y., Ohta K., Hashiguchi A., Himoto K. G., Izumiura H., Joh K., Kato N., Koyama S., Maehara H., Misato R., Noboriguchi A., Ogawa S., Ota N., Shibata M., Tamada N., Yanagawa A., Yonekura N., Nagao T., Akiyama M., Kajisawa M., Matsuoka Y.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 6 Pages: 1356-1367
  • DOI: 10.1093/pasj/psac073
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Obscured Fraction of Quasars at Cosmic Noon (2022)
  • Author(s): Vijarnwannaluk Bovornpratch、Akiyama Masayuki、Schramm Malte、Ueda Yoshihiro、Matsuoka Yoshiki、Toba Yoshiki、Sawicki Marcin、Gwyn Stephen、Pflugradt Janek
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 941 Issue: 1 Pages: 97-97
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9c07
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). XV. Constraining the cosmic reionization at 5.5 < z < 7 (2022)
  • Author(s): Lu Ting-Yi, Goto Tomotsugu, Hashimoto Tetsuya, Santos Daryl Joe D, Wong Yi Hang Valerie, Kim Seong Jin, Hsiao Tiger Y-Y, Kilerci Ece, Ho Simon C-C, Nagao Tohru, Matsuoka Yoshiki, Onoue Masafusa, Toba Yoshiki, SHELLQs collaboration
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 517 Issue: 1 Pages: 1264-1281
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2681
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On the Connection between Supermassive Black Holes and Galaxy Growth in the Reionization Epoch (2022)
  • Author(s): Li Junyao、Silverman John D.、Izumi Takuma、He Wanqiu、Akiyama Masayuki、Inayoshi Kohei、Matsuoka Yoshiki、Onoue Masafusa、Toba Yoshiki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 931 Issue: 1 Pages: L11-L11
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac6de8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of Extended Millimeter Emission in the Host Galaxy of 3C 273 and Its Implications for QSO Feedback via High Dynamic Range ALMA Imaging (2022)
  • Author(s): Shinya Komugi, Yoshiki Toba, Yoshiki Matsuoka, Toshiki Saito, Takuji Yamashita
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 930 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac616e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS). The first archetypal quasar in the feedback phase discovered by eROSITA (2022)
  • Author(s): Brusa M., Urrutia T., Toba Y., Buchner J., Li J.-Y., Liu T., Perna M., Salvato M., Merloni A., Musiimenta B., Nandra K., Wolf J., Arcodia R., Dwelly T., Georgakakis A., Goulding A., Matsuoka Y., Nagao T., Schramm M., Silverman J. D., Terashima Y.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 661 Pages: A9-A9
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202141092
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiline Assessment of Narrow-line Regions in z~3 Radio Galaxies (2022)
  • Author(s): Terao Koki, Nagao Tohru, Onishi Kyoko, Matsuoka Kenta, Akiyama Masayuki, Matsuoka Yoshiki, Yamashita Takuji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 929 Issue: 1 Pages: 51-51
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac5b71
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Looking for the most distant quasars (2023)
  • Author(s): Yoshiki Matsuoka
  • Organizer: Kavli Instutute for Astronomy and Astrophysics at Peking University seminar
• [Presentation] FIRST JWST observations of low-luminosity quasars at z ~ 6 from the SHELLQs program (2023)
  • Author(s): J D Silverman, M Onoue, X Ding, YM, M Strauss, T Izumi
  • Organizer: A new era in extragalactic astronomy: early results from the James Webb Space Telescope
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wide-field AGN surveys with Subaru: from HSC to PFS and WISHES-Euclid (2022)
  • Author(s): Yoshiki Matsuoka
  • Organizer: Tracing the SMBH growth: outlook beyond the HSC-SSP, and future collaborations
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Approaching the heart of high-z quasar population with Subaru Hyper Suprime-Cam (2022)
  • Author(s): Yoshiki Matsuoka
  • Organizer: Supermassive black holes at high redshift
  • Int'l Joint Research / Invited