ブラックホール近傍のゆがんだ時空の測定を目指した星の高精度視線速度測定法の研究

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13463
• 研究機関: 宮城教育大学
• 研究代表者: 西山 正吾 宮城教育大学, 教育学部, 准教授 (20377948)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 天文学 / ブラックホール / 赤外線 / 分光 / 相対性理論 / 星 / ドップラー効果

研究実績の概要

本研究の目的は、星の視線速度の測定方法の確立である。私たちは、銀河系の中心にある巨大ブラックホールSgr A* を周回する星の近赤外線分光観測を進めている。この観測により、星の視線速度の時間変化をモニターする。その結果、ブラックホールによって歪められた時空情報を得る、ということがこのプロジェクトの最終目的である。
まず、研究に必要なデータが着実に得られている。2014年、2015年に引き続き、2016年にも観測データが得られた。
次に、データ解析方法の検討が大きく進展した。データ解析における最も重要な点は、波長較正である。波長較正の良し悪しによって、視線速度の測定精度が大きく左右される。較正方法は3つある。トリウムアルゴンランプを使う方法、地球大気のOH夜光輝線を使う方法、そして地球大気の吸収線を使う方法である。また、それぞれの方法の中でも、どのタイミングで得られたデータを使うか、得られたデータのどの部分を使うかによって測定精度が変わりうる。
今年度の検討により、大気吸収線、OH夜光、ランプの順番で波長較正の精度が良いことがわかった。また、大気吸収線を使った較正方法は、この研究では使いづらいこともわかった。よってOH夜光を用いた波長較正方法を今後採用することが決まった。この方法(測定精度約4km/s)はベストではないものの、本研究に必要とされている 10 km/s の精度を十分に達成している。
さらに、ターゲットであるS2という星自身の視線速度測定精度の検証も進んだ。上記のように波長較正方法が改善されたことで、S2の視線速度測定精度も向上した。2016年に得られた160分積分のデータでは、13 km/s の測定精度が得られた。観測時間が十分に得られれば、目標である10 km/sの達成が十分可能であることがわかった。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

まず、引き続き順調にデータを取得している。2014年、2015年に続き、2016年度にもデータを得ることができた。観測機会は2回、2016年5月と7月であった。残念ながら7月は天候に恵まれなかった。星は見えていたものの、水蒸気量が多く、大気中の光の散乱の影響が大きかったため、データは取得できなかった。しかし、5月には天候にも恵まれ、検討に必要なデータを取得することができた。なお、2017年も観測時間を得ることができた。これによりさらに検討が深まることが期待できる。
次に、データ解析方法を検討した結果、当初の目標が達成可能であることが確認できた。2016年度のデータで得られた視線速度測定精度は13 km/s であった。このうち系統誤差による成分は20-30%であると見積もった。つまり観測時間が長くなり、統計誤差が小さくなれば、目標としている10 km/sという精度が達成できることがわかった。2016年は、観測時間のうち約半分が、天候に恵まれなかった。つまり今得られている観測時間で、天候さえ良好であれば、本研究の目標は達成できることがわかった。
さらに、理論的な研究も進んでいる。相対性理論の専門家との共同研究を始めたことで、観測データの解釈や観測計画立案がより明確にできるようになった。(一般相対論効果も含めた)理論的に予想される視線速度の時間変化と観測結果も比較できるようになった。このことにより、重要な観測時期や、その時に得られる相対論効果の検出有意性などを検討、計算できるようになった。これらのことから本研究は、当初の予想以上に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

最終年度である2017年度は、さらなる観測とデータ解析、そして星がブラックホールに最接近する2018年の観測計画の立案が重要な課題となる。
まず2017年5月に、新たな観測時間を得ることができた。今回は4半夜が割り当てられており、今まで以上のデータの取得が期待できる。また2017年後半にも観測時間を得るために、申請を済ませている。
今年度最も重要な研究は、2018年の観測計画の立案である。ブラックホールに最接近する2018年のいつ、どれくらいの頻度で観測する必要があるのか、2017年のうちに計画を立てておく必要がある。最接近時期は2018年3月-4月と予想されている。最接近前は、天体と太陽とが同じ方向にあるため、残念ながら観測が難しい。最接近時とその後の観測は可能である。理論から予想される視線速度変化を勘案し、観測時期を検討する。またその観測によって一般相対論効果をどれくらいの有意性で検出できるのか、計算しておく。
また、すばる望遠鏡以外の装置を用いた観測の検討も行う。北半球にあるすばる望遠鏡での観測は、4月以降でないと難しい。一方南半球にある望遠鏡を使えるのならば、約1ヶ月早い時期の観測が可能である。海外の研究者との共同研究もすでに始めているので、南半球での観測の可能性について検討する。
さらに、得られた視線速度変化に対する理論との比較方法の検討も進める。理論家との共同研究を始めたことで、観測結果と、相対論効果を含めた理論曲線との直接比較が可能になった。この比較から、特にブラックホールの質量をどれくらいの精度で決定することができるのか、検討を進める。

次年度使用額が生じた理由

2016年後半にすばる望遠鏡の主鏡の再蒸着が予定されており、観測回数が予想より少なかったため。

次年度使用額の使用計画

次年度の旅費として用いる。

研究成果

• [国際共同研究] Instituto de Astrofisica de Andalucia(Spain)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Instituto de Astrofisica de Andalucia
• [雑誌論文] A lack of classical Cepheids in the inner part of the Galactic disc (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Matsunaga, M. W. Feast, G. Bono, N. Kobayashi, L. Inno, T. Nagayama, S. Nishiyama, Y. Matsuoka, T. Nagata
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 462 ページ: 414-420
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1548
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] V5852 Sgr: an unusual nova possibly associated with the Sagittarius stream (2016)
  • 著者名/発表者名: E. Aydi, P. Mroz, P. A. Whitelock, S. Mohamed, L. Wyrzykowski, A. Udalski, P. Vaisanen, T. Nagayama, M. Dominik, A. Scholz, H. Onozato, R. E. Williams, S. T. Hodgkin, S. Nishiyama, M. Yamagishi, A. M. S. Smith, T. Ryu, A. Iwamatsu, I. Kawamata
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 461 ページ: 1529-1538
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1396
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopically identified intermediate age stars at 0.5-3 pc distance from Sagittarius A* (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Nishiyama, R. Schoedel, T. Yoshikawa, T. Nagata, Y. Minowa, M. Tamura
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 588 ページ: id. A49
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201322392
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] The universality of the interstellar extinction law in our Galaxy (2017)
  • 著者名/発表者名: Shogo Nishiyama
  • 学会等名: Workshop on Studies on variable stars and extinction law in the Milky Way and nearby galaxies
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス, 東京都文京区
  • 年月日: 2017-03-27 – 2017-03-28
  • 国際学会
• [学会発表] セファイドを用いた銀河面偏光観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 善光哲哉、栗田光樹夫、木野勝、長友竣、長田哲也、松永典之、西山正吾、中島康
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
  • 発表場所: 九州大学, 福岡県福岡市
  • 年月日: 2017-03-15 – 2017-03-18
• [学会発表] 銀河系バルジ領域における拡散X線強度と近赤外星数面密度の空間分布比較 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長友竣、長田哲也、栗田光樹夫、木野勝、善光哲哉、鶴剛、山内茂雄、信川久実子、信川正順、西山正吾
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
  • 発表場所: 九州大学, 福岡県福岡市
  • 年月日: 2017-03-15 – 2017-03-18
• [学会発表] 地球型惑星検出のためのすばる赤外線ドップラー分光器: 12 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小谷隆行、周藤浩士、西川淳、上田暁俊、大宮正士、神戸栄治、森野潤一、寺田宏、小久保英一郎、鈴木竜二、工藤智幸、日下部展彦、原川紘季、林正彦、福井暁彦、小西美穂子、Oliver Guyon、田村元秀、成田憲保、青木和光、臼田知史、高遠徳尚、早野裕、高見英樹、泉浦秀行、堀安範、橋本淳、葛原昌幸、馬場はるか、細川晃、西山正吾、他
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
  • 発表場所: 九州大学, 福岡県福岡市
  • 年月日: 2017-03-15 – 2017-03-18
• [学会発表] 巨大ブラックホールを周回する星の近赤外線高分散分光観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西山正吾、斉田浩見
  • 学会等名: 第22回天体スペクトル研究会
  • 発表場所: 仙台市天文台, 宮城県仙台市
  • 年月日: 2017-03-04 – 2017-03-05
• [学会発表] 銀河系中心ブラックホール近傍の星の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 五林遥、西山正吾、髙橋美月、岩松篤史
  • 学会等名: 第22回天体スペクトル研究会
  • 発表場所: 仙台市天文台, 宮城県仙台市
  • 年月日: 2017-03-04 – 2017-03-05
• [学会発表] クェーサーB1422+231の近赤外線分光観測による微細構造定数の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安達璃奈、西山正吾、濱野哲史
  • 学会等名: 第22回天体スペクトル研究会
  • 発表場所: 仙台市天文台, 宮城県仙台市
  • 年月日: 2017-03-04 – 2017-03-05
• [学会発表] Near-infrared Polarimetric Survey of the Central Region of Our Galaxy (2017)
  • 著者名/発表者名: Shogo Nishiyama
  • 学会等名: 2nd CORE-U Conference: Cosmic Polarimetry from Micro to Macro Scales
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス, 広島県東広島市
  • 年月日: 2017-02-17 – 2017-02-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] General Relativistic Measurement of Mass of the Galactic Massive Black Hole (2017)
  • 著者名/発表者名: Shogo Nishiyama
  • 学会等名: Subaru Users' Meeting FY2016
  • 発表場所: 国立天文台三鷹キャンパス, 東京都三鷹市
  • 年月日: 2017-01-10 – 2017-01-12
  • 国際学会
• [学会発表] 銀河系中心巨大BHの一般相対論効果と質量の高精度測定へ向けて：観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西山正吾、斉田浩見
  • 学会等名: 「超巨大ブラックホール研究推進連絡会」 第4回ワークショップ
  • 発表場所: 東京大学天文学教育研究センター, 東京都三鷹市
  • 年月日: 2016-12-09 – 2016-12-10
• [学会発表] RV observation of S2 and GR effects from SMBH (2016)
  • 著者名/発表者名: 西山正吾、斉田浩見
  • 学会等名: ブラックホール地平面勉強会
  • 発表場所: 宇宙科学研究所相模原キャンパス, 神奈川県相模原市
  • 年月日: 2016-11-05 – 2016-11-05
• [学会発表] 銀河系中心領域に存在するyoung, intermediate-age stars の起源の探査 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩松篤史、板由房、西山正吾
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学, 愛媛県松山市
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-16
• [学会発表] すばるIRDによるM型矮星周りの地球型惑星探索 III: 事前観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大宮正士、佐藤文衛、平野照幸、葛原昌幸、小谷隆行、青木和光、中島紀、福井暁彦、原川紘季、成田憲保、田村元秀、比田井昌英、西山正吾、IRD チーム
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学, 愛媛県松山市
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-16
• [学会発表] 赤外線暗黒星雲 “ネッシー” 星雲の近赤外線偏光観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 杉谷光司、楠根貴成、中村文隆、西山正吾、SIRPOL チーム
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学, 愛媛県松山市
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-16
• [学会発表] RV observation of S2 and mass of SMBH (2016)
  • 著者名/発表者名: 西山正吾
  • 学会等名: ブラックホール地平面勉強会
  • 発表場所: 名古屋大学, 愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-06-25 – 2016-06-25
• [学会発表] Astrometry and Narrow-band Imaging of the Galactic Center with ULTIMATE-Subaru (2016)
  • 著者名/発表者名: Shogo Nishiyama
  • 学会等名: ULTIMATE-Subaru Science Workshop 2016
  • 発表場所: 国立天文台三鷹キャンパス, 東京都三鷹市
  • 年月日: 2016-06-16 – 2016-06-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Interstellar Extinction Laws from Optical to Infrared Wavelengths in the Galaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: Shogo Nishiyama
  • 学会等名: Astronomical Distance Determination in the Space Age
  • 発表場所: International Space Science Institute Beijing, China
  • 年月日: 2016-05-23 – 2016-05-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sgr A*近傍の星の観測とSMBH (2016)
  • 著者名/発表者名: 西山正吾
  • 学会等名: ブラックホール地平面勉強会
  • 発表場所: 宇宙科学研究所相模原キャンパス, 神奈川県相模原市
  • 年月日: 2016-05-07 – 2016-05-07