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アウトフロー現象の理論研究と観測との比較で迫る超巨大ブラックホール形成過程の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K14525
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分16010:天文学関連
研究機関弘前大学 (2023)
呉工業高等専門学校 (2020-2022)

研究代表者

野村 真理子  弘前大学, 理工学研究科, 助教 (50756351)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワードブラックホール / アウトフロー / 活動銀河核 / 超臨界降着流 / 超巨大ブラックホール
研究開始時の研究の概要

宇宙に存在するほぼ全ての銀河中心には,太陽の100万倍から10億倍もの質量を持つ超巨大ブラックホールが存在することが知られている.しかしながら,その成長・進化過程は未解明である.本研究課題は,数値シミュレーションによる理論研究と観測との比較によって,ブラックホールへと落下するガスが形成する円盤,およびそこから噴出する円盤風の性質を解明し,ガス降着によるブラックホールの成長過程に制限を与えようとするものである.

研究実績の概要

ブラックホールを取り巻く降着円盤からのガス噴出現象を包括的に理解し,超巨大ブラックホール形成への影響を理解するため,本年度は(1)超臨界降着流を持つ恒星質量ブラックホールから噴出する円盤風,(2)エディントン限界未満の降着率を持つ超巨大ブラックホールからの円盤風,(3)超巨大ブラックホールにおいて,降着円盤より外側(0.001-1パーセクスケール)で噴出する円盤風,についての研究を行った。
(1)10太陽質量のブラックホール周囲の超臨界降着流の遠方領域から発生するラインフォース(金属元素が紫外光を束縛-束縛遷移吸収する際に受ける輻射力)駆動型円盤風のシミュレーションを実行した。
質量降着率の増加に対して,UV光で明るい円盤面積の増加率が(超巨大ブラックホール+亜臨界降着率を仮定した場合に比べて)低いため,質量降着率をエディントン限界の1000倍としても,円盤風の質量損失率は~1%以下に抑えられることがわかった。したがってこの円盤風はブラックホール近傍への超臨界降着を妨げない。
(2)活動銀河核アウトフローのより現実的な理論モデルとして,降着円盤の周期的な光度変動を考慮したラインフォース駆動型円盤風のシミュレーションを行った。その結果,活動銀河核で観測される超高速アウトフロー検出の有無が時間に依存するものであることを理論的に明らかにした。
(3)降着円盤スケールで発生する円盤風が母銀河に影響を与え得るかどうかを明らかにするには,円盤から銀河スケールに至る広い空間スケールの計算が必要不可欠である。その最初のステップとして,本研究では降着円盤より外側(0.001-1パーセクスケール)に着目した輻射流体シミュレーションを行った。その結果,ダスト円盤に対する輻射加熱と輻射力により,アウトフローが形成されることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

初年度に計画を変更し,円盤風の輻射流体シミュレーションコードには大きな変更を行わず,これまでの研究で申請者が用いていたコードをベースに使用して,様々な環境下(ブラックホール質量や質量降着率,降着ガスの金属量)で発生する円盤風の包括的理解と母銀河-超巨大ブラックホールの共進化の解明を目的とした研究を進めた。
R3年度には宇宙初期(低金属量)の種ブラックホールから,現在(太陽金属量以上)の超巨大ブラックホールまでに対応する広いパラメータ空間におけるラインフォース駆動型円盤風の理論研究について成果を査読論文の形で公表した.
さらに降着率について広いパラメータレンジを扱うため,超臨界降着流を含む円盤風の降着率依存性を考慮した研究に着手し,学会等で成果を公表した(R4年度)。この成果は現在論文準備中である。
R5年度にはこれに加え,当初の計画を越えて,円盤の光度変動を考慮した現実的モデルの構築や,より大きな空間スケールの円盤風の発生機構解明などの研究に着手し,前者は学会発表,後者は学会発表および査読論文の形で成果を発表した。
X線観測衛星XRISMの本格運用がR6年度となったことや,本研究課題採択直後の新型コロナウイルス流行期の影響があり,観測との比較についての研究や,国内外へ向けた成果発表はまだ十分とは言えないが,その間に理論研究を発展させることができたため,研究計画は概ね順調に進んでいると言える.

今後の研究の推進方策

今後の研究方策として,まずは超臨界降着流におけるラインフォース駆動型円盤風シミュレーションの結果をまとめ,査読論文化する。また,母銀河-超巨大ブラックホールの共進化の解明を大目標とした広い空間スケールの研究も引き続き実施する。さらに,本課題延長後の最終年度に向けて,国内外での研究成果の発表にも力を入れる。
R5年度には,降着円盤より外側(0.001-1パーセクスケール)に着目した輻射流体シミュレーションを実施し,ダスト円盤に対する輻射加熱と輻射力により,アウトフローが形成されることを明らかにした。しかしながら実際にはこの領域には降着円盤領域で発射されたラインフォース駆動型円盤風(Nomura et al. 2021)が流入し,伝搬しているはずである。そこで0.001-1パーセクスケールにおけるラインフォース駆動型円盤風の伝搬と,さらにそこで発生するダスト駆動型のアウトフローを考慮したシミュレーションを実行する。その結果を元に,ブラックホールの成長率や星間空間への運動量・エネルギー放出率を見積もり,円盤スケールのアウトフローが母銀河に影響を与えるか否かを解明するとともに,活動銀河核において様々なスケールにわたって発生するアウトフローの包括的理解を目指す。
さらにXRISM衛星の本格運用に備えて,観測との比較の準備(天体の条件に合わせた計算の実行や,スペクトル計算による時間変動の調査)も引き続き進めていく。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] ダラム大学(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] ダラム大学(英国)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Multiphase Gas Nature in the Sub-parsec Region of the Active Galactic Nuclei. I. Dynamical Structures of Dusty and Dust-free Outflow2023

    • 著者名/発表者名
      Kudoh Yuki、Wada Keiichi、Kawakatu Nozomu、Nomura Mariko
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 950 号: 1 ページ: 72-72

    • DOI

      10.3847/1538-4357/accc2b

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] QWIND3: UV line-driven accretion disc wind models for AGN feedback2023

    • 著者名/発表者名
      Quera-Bofarull Arnau、Done Chris、Lacey Cedric G、Nomura Mariko、Ohsuga Ken
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 518 号: 2 ページ: 2693-2711

    • DOI

      10.1093/mnras/stac3171

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Radiation hydrodynamics simulations of line-driven AGN disc winds: metallicity dependence and black hole growth2021

    • 著者名/発表者名
      Nomura Mariko、Omukai Kazuyuki、Ohsuga Ken
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 507 号: 1 ページ: 904-913

    • DOI

      10.1093/mnras/stab2214

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] AGNアウトフローの理論研究とSMBHの進化2024

    • 著者名/発表者名
      野村 真理子
    • 学会等名
      ブラックホール大研究会 ~星質量から超巨大ブラックホールまで~
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 活動銀河中心核サブパーセクスケールアウトフローの解析モデル2024

    • 著者名/発表者名
      工藤祐己,和田桂一,川勝 望,野村 真理子
    • 学会等名
      日本天文学会2024年春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 降着円盤の光度変動を考慮したラインフォース駆動型円盤風の研究2024

    • 著者名/発表者名
      黒田裕太郎 , 大須賀健 , 野村真理子
    • 学会等名
      日本天文学会2024年春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 仙台で過ごした1年間と円盤風研究,その後の発展2023

    • 著者名/発表者名
      野村 真理子
    • 学会等名
      天体理論グループ10周年記念研究会: 杜の都における宇宙物理の10年
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] AGN 理論 review:AGNアウトフローとSMBHの進化2023

    • 著者名/発表者名
      野村 真理子
    • 学会等名
      銀河・銀河間ガス研究会2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AGNアウトフローとSMBHの進化2023

    • 著者名/発表者名
      野村 真理子
    • 学会等名
      第36回 理論懇シンポジウム 「高赤方偏移のフロンティア」
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 超臨界降着流から噴出するラインフォース駆動型円盤風2023

    • 著者名/発表者名
      野村真理子,大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会 2023年春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Radiation hydrodynamics simulations of AGN winds: comparison with observations and impact on SMBH growth2022

    • 著者名/発表者名
      Nomura Mariko
    • 学会等名
      The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting (EANAM9)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超高速アウトフローの時間変動と周辺環境への影響2022

    • 著者名/発表者名
      工藤祐己,和田桂一,野村真理子,川勝望
    • 学会等名
      日本天文学会 2022年秋季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Radiation hydrodynamics simulations of line-driven disk wind2021

    • 著者名/発表者名
      Nomura Mariko
    • 学会等名
      Black hole accretion disc winds (Durham, UK, Online)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ダスト昇華半径周辺における輻射駆動アウトフロー2021

    • 著者名/発表者名
      工藤祐己、和田桂一、川勝望、野村真理子
    • 学会等名
      日本天文学会2021年秋季年会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 銀河中心核でのアウトフロー: ブラックホール進化への影響2021

    • 著者名/発表者名
      野村真理子
    • 学会等名
      超巨大ブラックホール研究会:その実態・影響・起源の全貌解明に向けて
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] XRISM observations of a UV line driven disc wind in AGN2020

    • 著者名/発表者名
      水本岬希, Done Chris, 大須賀健, 小高裕和
    • 学会等名
      日本天文学会 2020秋季年会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] ラインフォース駆動型円盤風の金属量依存性: 銀河-SMBH共進化への影響2020

    • 著者名/発表者名
      野村真理子
    • 学会等名
      天体形成研究会2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Radiation hydrodynamic simulations of line-driven disk winds: Metallicity dependence and SMBH growth2020

    • 著者名/発表者名
      野村真理子
    • 学会等名
      Black Hole Astrophysics with VLBI: Multi-Wavelength and Multi-Messenger Era
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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