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X線衛星XRISMとTAO赤外線望遠鏡による合体銀河中のアウトフロー構造の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K13154
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
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

山田 智史  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 基礎科学特別研究員 (90963520)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワードX線天文学 / 赤外線天文学 / 超巨大ブラックホール / 活動銀河核 / 赤外線銀河
研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、銀河とその中心にある巨大ブラックホール(以後、“BH”)の進化過程の全貌を解明することである。銀河とBHは単調に成長するのではなく、銀河同士の合体とそれに伴う大規模なBHへの質量降着により急激に成長する。よって、両者の進化過程を知るには、合体時に起きる物理現象を観測する必要がある。しかし、合体時の銀河はガスやダストに深く覆われ、観測することが難しい。そこで、最先端のX線衛星XRISMやTAO赤外線望遠鏡による観測を実施する。これらの観測波長は透過力が高いため、アウトフローの速度と質量を正確に測定し、合体銀河中のBH周辺の物理環境、特にBH近傍から噴出するアウトフローの構造や強度を調べる。

研究実績の概要

今年度は、本研究の要となるX線衛星XRISMの打上げの一年となった。私は2022年4月からXRISM衛星開発チームに所属し、装置性能常時監視ツールの開発に取り組んできた。特にX線精密分光装置であるResolveでは自身が大部分を開発してきた。その活動が顕著な貢献と評され、JAXAからは感謝状、XRISMチームからはOutstanding Contribution Awardを贈呈された。
2023年9月には衛星の打上げが成功しており、XRISM衛星の観測が多くの天体で実施されている。初期観測チームとしてもデータを取得してきた。共同研究者と連携して、申請者は京都大学せいめい3.8m望遠鏡による可視光分光観測の同時モニターも遂行してきた。現在は両装置によるX線と可視光の精密分光データに基づいて、毎週の日米欧会議で論文化に向けて議論を進めている。
観測分野においては、主著論文が1編出版され、2編が受理された。1編目では、合体銀河中の星形成、活動銀河核、アウトフローの3要素を合体段階毎に明らかにするため、近傍の84天体の合体銀河に対して、X線から電波までの多波長データ解析を行った。特に初めてX線スペクトルを同時に扱えるモデルを開発することで、アウトフローのダスト成分による赤外線放射成分の抽出にも成功した。その結果、合体が進むにつれて、星形成、活動銀河核、さらにはアウトフローも発達することが示唆された。また、2本目では高階電離輝線([O IV]や[Ne V])と12um放射を用いることで、合体末期のガスやダストに深く埋もれた活動銀河核を見つける新しい手法を提唱した。3本目では、世界最大のX線のアウトフローのカタログ論文が受理された。
現在までの、装置開発と観測研究の両方での活躍が評価され、理研からは理事長感謝状、井上科学振興財団からも井上研究奨励賞が贈呈された。来年度からは東大TAO赤外線望遠鏡の稼働も始まるため、更なる成果に繋げていく。

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

今年度は9月にXRISM衛星が打ち上がり、2024年1月5日にはファーストライトの観測をプレスリリースすることができた。衛星の性能としては、検出機の保護フィルムが外れずに検出効率が1.6倍ほど落ちているが、エネルギー分解能は当初の予定より1.4倍以上も良い。従来のCCDと比べ、6keV帯域では約30倍ものエネルギー分解能である。すでに多くの天体の初期観測データを確認しているが、いずれも驚くほどの面白い結果が得られている。XRISM衛星の初期観測データだけでも非常に多くの論文が出版できると期待され、日米欧で協力して多くの論文化に取り組んでいる。2024年8月からはCycle-1の観測期間が始まるため、4月4日には、責任者で2件、共同提案者で約10件の観測提案を行った。XRISM衛星を用いた研究は順調に進んでいる。
本年度は1編の論文を出版し、新たに2本の主著の査読論文が受理された。特に3本目のApJSの論文では、過去の20年間で発見されてきたX線でのアウトフローを全て集めて、データベースにしたものである。本カタログでは132天体の活動銀河核に対して、約600ものX線観測から、573ものアウトフローを特定し、系統的に整理している。特に、10,000km/sの速度を持つものが非常に少なく、2種類に分かれることが分かった。特にアウトフローの距離とダスト昇華半径を比較すると、速い側のアウトフローはガスで構成され、遅い側はダストを含むという違いも示唆された。
本研究計画ではTAO望遠鏡の観測も重要となるが、稼働開始が遅れており、早くても2024年11月からとなった。そのため計画に遅れは生じているが、その代わりに観測時間の確保や解析技術の習得など準備を進めている。特にX線のアウトフローカタログは、多波長データ解析の論文も準備中であり、TAO望遠鏡の観測に向けて有益になる情報も見積もっている段階である。

今後の研究の推進方策

本研究の最終目的としては、XRISM衛星、TAO望遠鏡、ALMA望遠鏡を用いて、X線・赤外線・サブミリ波という3つの減光を受けにくい波長でアウトフローの多スケール構造を解明することである。解析技術や観測時間の確保に向けては取り組んできたが、XRISMとTAOの観測データはすぐに揃うわけではない。そこで、事前にどのような成果が期待されるか、あるいは、どのような課題を決着すべきか、という2点を明確にするため、自身が責任者として新しいプロジェクト (X-ray Winds In Nearby-to-distant Galaxies; X-WING)を開始した。母サンプルは、X線でアウトフローが見つかっている132天体である。これはXRISMの追観測を視野に入れており、X線や天体の基本情報を全て整理した論文はすでに受理されている(Yamada+24b, ApJS; Paper-I)。これらの天体で紫外線から電波までの多波長データ解析も行っており、さらにはX線から電波までで報告されてきた多波長アウトフローの物理量も整理している(論文執筆中; Paper-II, III)。このプロジェクトにより、現状で得られる最大限の知見を引き出し、最も迅速に本研究のサイエンスを実現するために追観測すべき天体の選定も行いやすくなる。また、将来的にはVLT/MUSEなどの可視光も含め、XRISM、TAO、VLT/MUSE、ALMAによる多波長空間分解観測を用いて、合体の有無によらないアウトフローの三次元構造と速度場の解明の実現にも取り組む。そのため、X-WINGプロジェクトの3本の論文は、TAOの観測が始まるまでに完了できるように進めている。XRISM衛星での観測提案もX-WINGカタログの天体から主に選定しており、今後のCycle-2,3に向けても共同研究者と協力して戦略を議論している。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 6件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件)

  • [国際共同研究] ディエゴ・ポルタレス大学/チリ・カトリック大学/アントファガスタ大学(チリ)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] NASA/GSFC/フロリダ大学/カリフォルニア工科大学(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] ケンブリッジ大学/サウサンプトン大学(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] INAF/ローマ・トレ大学(イタリア)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] 北京大学/ASIAA/国立清華大学(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究]

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Probing the origin of the two-component structure of broad-line region by reverberation mapping of an extremely variable quasar2024

    • 著者名/発表者名
      Nagoshi Shumpei、Iwamuro Fumihide、Yamada Satoshi、Ueda Yoshihiro、Oikawa Yuto、Otsuka Masaaki、Isogai Keisuke、Mineshige Shin
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 529 号: 1 ページ: 393-408

    • DOI

      10.1093/mnras/stae319

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] Hard X-Ray to Radio Multiwavelength SED Analysis of Local U/LIRGs in the GOALS Sample with a Self-consistent AGN Model including a Polar-dust Component2023

    • 著者名/発表者名
      Yamada Satoshi、Ueda Yoshihiro、Herrera-Endoqui Mart?n、Toba Yoshiki、Miyaji Takamitsu、Ogawa Shoji、Uematsu Ryosuke、Tanimoto Atsushi、Imanishi Masatoshi、Ricci Claudio
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Supplement Series

      巻: 265 号: 2 ページ: 37-37

    • DOI

      10.3847/1538-4365/acb349

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] Coevolution and Nuclear Structure in the Dwarf Galaxy POX 52 Studied by Multiwavelength Data from Radio to X-Ray2023

    • 著者名/発表者名
      Kawamuro Taiki、Ricci Claudio、Yamada Satoshi、Noda Hirofumi、Li Ruancun、Temple Matthew J.、Tortosa Alessia
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 960 号: 1 ページ: 15-15

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad0972

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] BASS. XLII. The Relation between the Covering Factor of Dusty Gas and the Eddington Ratio in Nearby Active Galactic Nuclei2023

    • 著者名/発表者名
      Ricci C.、Ichikawa K.、Stalevski M.、Kawamuro T.、Yamada S.、Ueda Y.、Mushotzky R.、Privon G. C.、Koss M. J.、Trakhtenbrot B.、Fabian A. C.、Ho L. C.、Asmus D.、Bauer F. E.、Chang C. S.、Gupta K. K.、Oh K.、Powell M.、Pfeifle R. W.、Rojas A.、Ricci F.、Temple M. J.、et al.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 959 号: 1 ページ: 27-36

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad0733

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] AGN number fraction in galaxy groups and clusters at z > 1.4 from the Subaru Hyper Suprime-Cam survey2023

    • 著者名/発表者名
      Hashiguchi Aoi、Toba Yoshiki、Ota Naomi、Oguri Masamune、Okabe Nobuhiro、Ueda Yoshihiro、Imanishi Masatoshi、Yamada Satoshi、Goto Tomotsugu、Koyama Shuhei、Lee Kianhong、Mitsuishi Ikuyuki、Nagao Tohru、Nishizawa Atsushi J、Noboriguchi Akatoki、Oogi Taira、Sakuta Koki、Schramm Malte、et al.
    • 雑誌名

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      巻: 75 号: 6 ページ: 1246-1261

    • DOI

      10.1093/pasj/psad066

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] Broad-band X-ray spectral study of nuclear structure in local obscured radio galaxies2023

    • 著者名/発表者名
      Nakatani Yuya、Ueda Yoshihiro、Ricci Claudio、Inaba Koki、Ogawa Shoji、Setoguchi Kenta、Uematsu Ryosuke、Yamada Satoshi、Yoshitake Tomohiro
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 523 号: 4 ページ: 6239-6249

    • DOI

      10.1093/mnras/stad1836

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] X-ray Winds in Nearby-to-distant Galaxies (X-WING) - I: Legacy Surveys of Galaxies with Warm Absorbers and UFOs in z ~ 0-42024

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Yamada
    • 学会等名
      The 2nd XRISM Community Workshop
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] [O IV] and [Ne V]-weak AGNs Hidden by Compton-thick Material in Late Mergers2024

    • 著者名/発表者名
      山田 智史
    • 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] X-ray Weak AGNs Hosting Rapidly Growing Black Holes and Massive Outflows in Late-stage Mergers2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Yamada
    • 学会等名
      East-Asia AGN Workshop 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 多波長放射を用いたU/LIRGが持つAGNの探査法2023

    • 著者名/発表者名
      山田 智史
    • 学会等名
      日本天文学会2023年秋季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] AGN Outflowの多スケール構造とFeedback2023

    • 著者名/発表者名
      山田 智史
    • 学会等名
      微細構造線研究会2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 合体末期の銀河が持つ[O IV]/[Ne V]-weak AGNの構造2023

    • 著者名/発表者名
      山田 智史
    • 学会等名
      基盤Aミニワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 合体銀河中で急成長する塵に埋もれた巨大ブラックホール2023

    • 著者名/発表者名
      山田 智史
    • 学会等名
      山田研究会「宇宙における降着現象; 活動性・多様性の源」
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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