2019 Fiscal Year Annual Research Report
合体銀河中の活動銀河核の探査と多波長追求観測による銀河ブラックホール共進化の解明
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19J22216
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山田 智史 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 活動銀河学 / 赤外線銀河 / X線 / NuSTAR / 巨大ブラックホール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目的は、銀河と巨大ブラックホール（以下、BH）の共進化の物理的起源の解明である。共進化は、銀河同士の合体時に、銀河とBHが急激に成長すると共に互いに影響し合うことで引き起こされると予測される。2019年度は、合体時の「銀河からBHへの質量供給」の物理機構を解明することに取り組んだ。まず合体時での、銀河からBHへの質量供給の役割を担うトーラスの構造を明らかにするため、そのダスト放射を反映する中間赤外線を用いて調査を行った。独自に高空間分解能観測で得られる銀河の中心核領域の12 μm光度（トーラス成分）に着眼し、極軸側由来の[O IV] 26 μm輝線（狭輝線領域成分）との光度比を用いたトーラス構造の診断法を初めて提唱した。これを23天体に適用することで、合体に伴いトーラスの立体角は増加すること、最後にはトーラスがBH全体を覆うほどに発達することが判明した。この結果は、合体末期に激しい質量供給を行っていることを示唆する。本成果はYamada et al. 2019, ApJ, 876, 96として、学術論文化された。
さらに、X線衛星（NuSTAR、Chandra、XMM-Newton、すざく、Swift）で豊富に観測された近傍の合体銀河84天体のX線データに最新のX線トーラスモデルを適用し、高精度でトーラス立体角や質量降着率の調査を行った。その結果、まず合体の兆候が見られない2天体では、平たいトーラスを持ち、質量降着率は高いことが分かった。これは、降着円盤から噴出する強いアウトフローの輻射圧により、トーラスの物質が吹き飛ばされている描像を示唆する。本成果はYamada et al. 2020としてApJに投稿中である。一方、合体末期では極めて高い質量降着率にも関わらず大きいトーラス立体角を持つことが判明した。これは、強いアウトフローでも物質を吹き飛ばせないほどに発達したトーラスがBH全体を覆う描像を与える。本成果も現在論文として執筆中である。
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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
当初の予定の通り、(1)最新X線トーラスモデルを用いた合体銀河中の質量降着機構の調査、(2)京大3.8m望遠鏡を用いた合体銀河中の活動銀河核/星形成活動の解明、の2つを遂行した。研究(1)についてはすでに84天体の系統的調査により、合体末期では激しい質量降着が生じていることを解明し、2つの論文もそれぞれ投稿/執筆を行っている。トーラスの研究に関しても、中間赤外線による診断法を用いた研究の成果を学術論文として報告することができた(Yamada et al. 2019, 876, 96)。また、研究(2)に関しても、実際に約10以上の天体を観測し、可視面分光観測による輝線比診断法を用いて空間毎に活動銀河核と星形成活動を調べている。興味深いことに、一部の天体では電離ガス成分の青方偏移した輝線が検出され、降着円盤からの強い輻射圧により吹き飛ばされるアウトフロー成分の物質を捉えていることが判明した。次年度も合体銀河の系統的な観測を継続し、最後には論文として報告する予定である。
さらに、本年度は同大学の鳥羽儀樹研究員が取得したX線衛星NuSTARデータを用いて、遠方合体銀河の候補天体であるWISE0825+3002を対象に、活動銀河核の活動性を調査した。その結果、BHへの質量降着が激しいことに加え、中心部に存在するはずのガスやダストが予想よりも少なく、アウトフローにより物質が吹き飛ばされている可能性が示唆された(Toba, Yamada et al. 2020, ApJ, 888, 8)。この結果は、近傍宇宙の合体銀河を対象とした研究(1)や研究(2)とも一致しており、近傍から遠方宇宙にわたり合体銀河が激しい質量降着と強いアウトフローを持つ描像を示唆する。以上の成果は、多数の国際学会で報告し、国内でもその研究が高く評価され、天文・天体物理若手の会からオーラルアワードも受賞した。従って、研究は当初の計画に従って遂行できており、順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度の研究では、合体末期ではトーラス構造は発達し、質量降着も激しいことを解明しただけでなく、強いアウトフローも生じていることが予想されてきた。ここまでの成果では、研究対象である84天体のうち、特に明るい約20天体のみの結果である。2020度では、暗い天体でも詳細に解析し、活動銀河核の活動性に強い制限を与え、より大規模なサンプルでの議論に展開できるよう取り組む。具体的には、トーラス成分を決めるのに重要な硬X線（>10 keV）が重要であるため、硬X線衛星NuSTARによる観測データから、トーラスの物理量や質量降着率に制限を与えることができる。NuSTARで検出できていない天体でも上限値を与え、合体段階毎に活動銀河核と星形成の活動の推移を調べる。また、これら84天体に関する多波長での先行研究を網羅的に調べ、特にアウトフローの物理量について調査を行う。
さらに、近年ではALMAによる高感度電波観測が多く行われているため、それらのデータを用いて、トーラス近傍でのガス運動を捉え、質量降着率と質量放出率の関係も調べる予定である。特に京大3.8m望遠鏡の可視面分光観測ではアウトフローの電離ガス成分の輝線を用いて空間毎に速度分布を調べ、ALMAの電波観測では低温なガスやダスト成分の輝線から、より銀河スケールにまで広がったアウトフロー成分の速度場を推定できる。さらに、2022年4月には東京大学のTAO/MIMIZUKUによる超高空間分解能な赤外線観測が可能になるため、BH近傍に存在するアウトフローの高温ダスト成分の画像解析が可能になる。以上を組み合わせれば、BH近傍からの母銀河までのアウトフローに対し、領域毎に速度と質量の両者が推定され、アウトフローの空間構造や質量放出率、運動量輸送の研究にまで展開できるようになる。この目的に向けて、TAO/MIMIZUKUチームが主催する国際学会を好機として共同研究の打ち合わせを行い、稼働開始に合わせて準備を開始している。
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