2019 Fiscal Year Annual Research Report
初代銀河におけるブラックホールの形成・進化とその観測的兆候
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19J00324
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
鄭 昇明 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | ブラックホール / 銀河形成 / 初期宇宙 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の観測により宇宙が始まって7-8億年という非常に初期の段階で太陽の１０億倍の質量をもつ非常に重たいブラックホール(超大質量ブラックホール、SMBH)が数多く存在することがわかってきた。これらのブラックホールの質量は銀河の質量や光度などとよく相関することが知られている。この事実はブラックホールの形成や進化の過程が銀河を形成する上で大きな役割を果たしていることを示唆する。本研究では特に宇宙の最初期に形成される初代銀河においてどのようにブラックホールが形成し進化するかを調べている。
特に近年は宇宙初期に重たい種ブラックホールを形成する、「ダイレクトコラプスモデル」が注目されている。このモデルにより形成されたブラックホールは観測されている宇宙初期のSMBHに質量成長することが期待されている。一方で効率の良い質量進化が実現しうるかについては未解明な点が多く検証を必要とする。
本年度は以上の「ダイレクトコラプスモデル」により形成されたブラックホールの質量成長過程について調べた。このために、初代銀河を再現するため必要な物理過程を実装した大規模流体計算コードを構築した。このコードを用いてブラックホールの形成から進化までを一貫して追うことが可能となった。計算の結果、ブラックホールはほとんど質量成長することができないことがわかった。これは「ダイレクトコラプスモデル」では種ブラックホールは銀河中心から1kpcほど離れた領域で形成されるため、形成後もガス密度の低い銀河外縁を漂うからである。結果として質量成長率は小さくなり、ブラックホールはほとんど成長しなかった。これはブラックホールの形成から進化までを一貫した計算で追うことで初めて明らかになった結果である。
また、以上の結果を踏まえてより銀河中心付近で重たい種ブラックホールモデルを形成する可能性について流体計算を用いて調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1)本研究を進めるにあたって必要となるコードの実装から始まり、それを用いてブラックホールの形成から質量成長に至る一連の過程について調べることに成功した。
2)より銀河中心付近の金属汚染の進んだ領域における重たい種ブラックホールの形成可能性を新たに提唱することに成功した。これに関しては論文として投稿・受理された。
以上を踏まえて、研究は概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に構築したコードを用いることで、初代銀河の形成を追うことが可能となった。これにより「ダイレクトコラプスモデル」により形成された種ブラックホールのみでなく、他のモデルで形成するであろうブラックホールの質量進化についても計算することが可能となる。このコードには星や銀河からの紫外線輻射や星の超新星爆発を起源とする重元素汚染などの効果が実装されているので、さまざまな紫外線強度・金属量を持つガス雲を宇宙論的初期条件より始まるシミュレーションより同定することが可能である。このような様々な環境下にあるガス雲でどのような質量を持つブラックホールが形成されるかを系統的に調べることで、今までのより大スケールの計算では見過ごされていた銀河における種ブラックホールの詳細な形成過程を理解することが可能となる。
また、本年度は重元素汚染を受けたガス雲における重たい種ブラックホールについて調べたが、この計算は簡単化された状態方程式を用いていた。このためガス雲の収縮に伴う圧縮加熱やショックなどは分解されておらず、ガス雲の温度進化が正しく再現されていない恐れがある。そこでガスの非平衡化学反応過程を詳細に解くことで、より正しく温度進化を再現したもとでどのような質量を持つブラックホールが形成するかについて調べる。このためも、ダストや重元素による放射過程などを実装する必要がある。現在この実装を進めており、本年度中には結果が出ると予想される。
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