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2023 Fiscal Year Research-status Report

Investigation of the supermassive black hole growth mechanism with high resolution multiphase gas observations

Research Project

Project/Area Number 23K03462
Research InstitutionNational Astronomical Observatory of Japan

Principal Investigator

泉 拓磨  国立天文台, アルマプロジェクト, 准教授 (40792932)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Keywords活動銀河核 / ALMA / 超巨大ブラックホール / ブラックホール進化 / 質量降着 / サブミリ波
Outline of Annual Research Achievements

活動銀河中心核(質量降着中の超巨大ブラックホール)の成長機構の解明を目指して、ALMA望遠鏡を用いた多相星間物質(分子、原子、プラズマ)の高解像度観測を実施した。観測対象は最近傍活動銀河核であるCircinus銀河で、達成した空間解像度は最高で3光年程度である。これは、これまでの同種の研究の数十光年から数千光年という解像度を圧倒する値であり、実際に本研究は多相星間物質の観測としてはこれまでで最高解像度のものである。

観測の結果、Circinus銀河中心部では中密度の分子ガスが渦巻状に収束して高密度分子ガス円盤を形成していることが分かった。この高密度分子ガス円盤の厚みは薄く、円盤上空の領域には中心核からの強力なX線放射が透過しやすい。これにより、円盤上空の領域では、分子が破壊されて原子ガスに変換されていることも分かった。また、プラズマガスは銀河核付近から(周囲の分子・原子ガスに絞り込まれる形で)円盤の鉛直方向にコーン状に分布していた。運動の解析から、これは活動銀河核に駆動されたアウトフローの根本に相当することも分かった。

高密度分子ガス円盤の大きさは銀河中心の10光年以内である。ガス質量と運動の解析から、この円盤は重力不安定という物理状態にあることが判明した。これは、円盤ガスが自重を支えきれずに崩壊することを意味し、それによって角運動量の輸送が進む。よって、この重力不安定性が、ブラックホールへの質量降着がトリガーする機構だと解明できた。本成果は、これまで研究が進んでいなかった銀河中心部分での星間物質の多彩な動的構造を解明しただけでなく、ブラックホールへの直接的な質量降着の物理過程をも解明したものとして、Science誌から出版された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ALMA望遠鏡の最高解像度の観測データを効率良く解析できたことで、多相ガスの動的構造の観測的理解が大きく進んだ。単に空間分布やダイナミクスを調べるだけでなく、物理的な考察を深めることで、重力不安定性という質量降着の鍵となる機構を解明できたことは大きい。査読者との厳しいやりとりを経て、Science誌に成果を掲載できたことも大きな進捗となった。総合的に見て、当初の計画以上に大きな成果を生むことに成功していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

Circinus銀河の観測で得た知見を、他の様々な活動銀河核に適用して研究を拡大することを考えている。たとえば、光度やエディントン比の異なる銀河核を網羅的に観測し、重力不安定性が普遍的な質量降着機構なのかどうかを調査したい。そのための基礎データとして、近傍宇宙の活動銀河核に対する分子ガスサーベイ観測を実施した。現在はそのデータを解析中である。

また、ALMA望遠鏡の主な観測波長であるサブミリ波帯には、プラズマガスのプローブとして水素やヘリウム等の再結合線が多数存在する。その微弱さから、再結合線はこれまであまり注目されていなかったが、ALMA望遠鏡の高い感度によりその検出も可能となった。我々の研究でも、電離ガスの探査には再結合線を用いている。今後は、活動銀河核における素性が観測的に未解明のサブミリ波再結合線観測も強力に推進し、ブラックホール周辺の物質構造について理解を深める予定である。

Causes of Carryover

より効率の良い出張計画と、ハードディスク等の少額物品の節約に努めた結果、次年度使用額が生じた。これは、翌年度の助成金と合わせて、高騰する旅費をカバーする目的で使用する予定である。

  • Research Products

    (26 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (6 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 5 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 6 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Princeton University/University of Virginia/The University of Texas at San Antonio(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Princeton University/University of Virginia/The University of Texas at San Antonio
    • # of Other Institutions
      8
  • [Int'l Joint Research] European Southern Observatory/Joint ALMA Observatory/Universidad Diego Portales(チリ)

    • Country Name
      CHILE
    • Counterpart Institution
      European Southern Observatory/Joint ALMA Observatory/Universidad Diego Portales
    • # of Other Institutions
      2
  • [Int'l Joint Research] Chalmers University(スウェーデン)

    • Country Name
      SWEDEN
    • Counterpart Institution
      Chalmers University
  • [Int'l Joint Research] Observatorio Astronomico Nacional/Centro de Astrobiologia/Instituto de Astrofysica de Canarias(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      Observatorio Astronomico Nacional/Centro de Astrobiologia/Instituto de Astrofysica de Canarias
  • [Int'l Joint Research] MPIFR(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      MPIFR
  • [Int'l Joint Research]

    • # of Other Countries
      8
  • [Journal Article] The Relationships between Active Galactic Nucleus Power and Molecular Gas Mass within 500 pc of the Center of Elliptical Galaxies2024

    • Author(s)
      Fujita Yutaka、Izumi Takuma、Nagai Hiroshi、Kawakatu Nozomu、Kawanaka Norita
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 964 Pages: 29~29

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad28c0

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Supermassive black hole feeding and feedback observed on subparsec scales2023

    • Author(s)
      Izumi Takuma、Wada Keiichi、Imanishi Masatoshi、Nakanishi Kouichiro、Kohno Kotaro、Kudoh Yuki、Kawamuro Taiki、Baba Shunsuke、Matsumoto Naoki、Fujita Yutaka、Tristram Konrad R. W.
    • Journal Title

      Science

      Volume: 382 Pages: 554~559

    • DOI

      10.1126/science.adf0569

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dense Molecular Gas Properties of the Central Kiloparsec of Nearby Ultraluminous Infrared Galaxies Constrained by ALMA Three Transition-line Observations2023

    • Author(s)
      Imanishi Masatoshi、Baba Shunsuke、Nakanishi Kouichiro、Izumi Takuma
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 950 Pages: 75~75

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acc388

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ALMA 0.5 kpc Resolution Spatially Resolved Investigations of Nuclear Dense Molecular Gas Properties in Nearby Ultraluminous Infrared Galaxies Based on HCN and HCO+ Three Transition Line Data2023

    • Author(s)
      Imanishi Masatoshi、Baba Shunsuke、Nakanishi Kouichiro、Izumi Takuma
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 954 Pages: 148~148

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ace90d

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Molecular Abundance of the Circumnuclear Region Surrounding an Active Galactic Nucleus in NGC 1068 Based on an Imaging Line Survey in the 3 mm Band with ALMA2023

    • Author(s)
      Nakajima Taku、Takano Shuro、Tosaki Tomoka、Taniguchi Akio、Harada Nanase、Saito Toshiki、Imanishi Masatoshi、Nishimura Yuri、Izumi Takuma、Tamura Yoichi、Kohno Kotaro、Herbst Eric
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 955 Pages: 27~27

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ace4c7

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The correlation between the 500 pc scale molecular gas masses and AGN powers for massive elliptical galaxies2023

    • Author(s)
      Fujita Yutaka、Izumi Takuma、Kawakatu Nozomu、Nagai Hiroshi、Hirasawa Ryo、Ikeda Yu
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 75 Pages: 925~936

    • DOI

      10.1093/pasj/psad050

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] BASS. XXXIV. A Catalog of the Nuclear Millimeter-wave Continuum Emission Properties of AGNs Constrained on Scales ~100-200 pc2023

    • Author(s)
      Kawamuro Taiki、Ricci Claudio、Mushotzky Richard F.、Imanishi Masatoshi、Bauer Franz E.、Ricci Federica、Koss Michael J.、Privon George C.、Trakhtenbrot Benny、Izumi Takuma、Ichikawa Kohei、他
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Supplement Series

      Volume: 269 Pages: 24~24

    • DOI

      10.3847/1538-4365/acf467

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] ALMA望遠鏡が切り開いたAGN研究の最前線2024

    • Author(s)
      泉拓磨
    • Organizer
      ブラックホール大研究会
    • Invited
  • [Presentation] 高感度遠赤外線観測が切り拓く銀河・ブラックホール進化研究2024

    • Author(s)
      泉拓磨
    • Organizer
      遠赤外線天文学の将来サイエンス検討会
    • Invited
  • [Presentation] The Next Generation Very Large Array - Spring 20242024

    • Author(s)
      泉拓磨
    • Organizer
      日本天文学会春季年会2024
  • [Presentation] 高解像度サブミリ波観測が描く活動銀河中心核の新描像2023

    • Author(s)
      泉拓磨
    • Organizer
      つくば宇宙フォーラム
    • Invited
  • [Presentation] Resolving supermassive black hole feeding and feedback down to sub-parsec scales2023

    • Author(s)
      Takuma Izumi
    • Organizer
      East-Asia AGN Workshop 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Resolving supermassive black hole feeding and feedback down to sub-parsec scales2023

    • Author(s)
      Takuma Izumi
    • Organizer
      ALMA at 10 years: Past, Present, and Future
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Resolving supermassive black hole feeding and feedback down to sub-parsec scales2023

    • Author(s)
      Takuma Izumi
    • Organizer
      Multi-wavelength AGN Structure and Cosmological Applications (MASCA)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ALMA [CI] follow-up observations toward NGV 5643 and 63002023

    • Author(s)
      Takuma Izumi
    • Organizer
      GATOS Virtual Meeting 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Supermassive black hole feeding and feedback down to sub-pc scales2023

    • Author(s)
      Takuma Izumi
    • Organizer
      ALMA-AGN Workshop in Ehime
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高解像度ミリ波観測で描き出す活動銀河中心核近傍の構造2023

    • Author(s)
      泉拓磨
    • Organizer
      ngVLAサイエンスワーキンググループ合同検討会
    • Invited
  • [Presentation] 活動銀河中心核のALMA高解像度観測:銀河系天体との比較について2023

    • Author(s)
      泉拓磨
    • Organizer
      銀河系中心研究会2023
  • [Remarks] ついに解明!超巨大ブラックホールの成長メカニズムと銀河中心の物質循環

    • URL

      https://alma-telescope.jp/news/cirseyf-202311

  • [Remarks] 超巨大ブラックホールの成長メカニズムと銀河中心の物質循環を解明

    • URL

      https://www.nao.ac.jp/news/science/2023/20231103-alma.html

URL: 

Published: 2024-12-25  

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