2016/08/11

超巨大ブラックホールへのガス降着の鍵は超新星爆発か?

    ~ アルマ望遠鏡で見えてきたブラックホール成長の現場 ~

泉 拓磨(天文学専攻 博士3年/日本学術振興会特別研究員)

川勝 望(呉工業高等専門学校 自然科学系分野 准教授)

河野 孝太郎(天文学専攻 教授)

発表のポイント

  • 超巨大ブラックホールへ供給されるガスの貯蔵庫として、ブラックホール近傍数100光年程度の大きさの高密度分子ガス円盤が重要であることを初めて示した。さらに、分子ガス円盤で発生する超新星爆発がブラックホール成長を駆動するという理論予測を観測的に支持した。
  • 高解像度電波観測により、これまで探査が進んでいなかった銀河中心数100光年領域での、超巨大ブラックホールに向けたガス質量降着機構を観測的に示した点が新しい。
  • アルマ望遠鏡をはじめとする電波望遠鏡の高解像度観測が、現代天文学の最重要テーマの1つである超巨大ブラックホールの起源の解明につながることが示された。今後は宇宙の古今にわたるブラックホール成長機構の包括的理解が進むと期待される。

発表概要

多くの銀河の中心には太陽質量の100万倍以上もの質量を持つ超巨大ブラックホール(注1)が普遍的に存在することが明らかになってきましたが、その形成過程は未だ謎に包まれており、現代天文学が解決すべき最重要テーマの1つとなっています。

東京大学大学院理学系研究科の泉拓磨日本学術振興会特別研究員、河野孝太郎教授、呉工業高等専門学校の川勝望准教授からなる研究チームは、アルマ望遠鏡(注2)などで得た高解像度の電波観測データを用いて、近傍宇宙の複数の銀河で、その中心の超巨大ブラックホールの周囲数100光年にわたって広がる低温・高密度な分子ガス円盤を調査しました。その結果、そうした高密度分子ガス円盤が、超巨大ブラックホール成長における重要なガス質量の供給源として機能していることを初めて発見しました。また、「高密度分子ガス円盤内で形成された大質量星が超新星爆発(注3)を起こし、ガス中に強い乱流が発生することで、さらに内側へのガス供給が促進される」という理論モデルで、銀河中心部でのガス質量流入・流出の収支が整合的に説明できることも明らかにしました。

これらは、超巨大ブラックホールの起源に迫る重要な成果であり、今後はアルマ望遠鏡等を用いた遠方宇宙のブラックホール天体の詳細観測から、宇宙の古今にわたるブラックホール成長の包括的な理解が進むと期待されます。

発表内容

1. 研究の背景
近年の観測研究から、大質量銀河の中心には超巨大ブラックホールが普遍的に存在することが明らかになりましたが、その形成過程は不明で、現代天文学における重要な未解決問題となっています。

かねてから、超巨大ブラックホールへ落ち込むガスの量(ガス質量降着率:ブラックホール質量を増加させる)と、銀河中心部の星形成率との間にも相関関係があることが知られていました。すなわち、中心部で大量に星を作っている銀河ほど、ブラックホールへのガス質量降着率も大きいのです。これは、2つの現象が何らかの物理機構で結びついており、星形成活動を起爆剤としてブラックホール成長が駆動されることを示唆していますが、その具体的な機構はやはり不明でした。そこで、この問題を解決するための新たな突破口として、本研究チームは「低温かつ高密度な分子ガス」の観測に注目しました。これは、低温分子ガスは銀河中心部における星間物質(注4)の主たる存在形態であり、特に高密度なものは星形成の母体でもあるので、超巨大ブラックホール成長と星形成との物理的関係の調査に適していると考えたからです。

2. 研究内容
本研究チームは、南米チリのアルマ望遠鏡をはじめとする世界中の電波望遠鏡で取得された、シアン化水素分子輝線(HCN輝線(注5))の高解像度データを解析しました。対象は、中心に超巨大ブラックホールが存在し、その諸性質(ブラックホール質量、ガス質量降着率など)が既知の銀河、計10天体です。HCN輝線は高密度分子ガスの性質(ガス質量など)の調査に広く使われる輝線です。銀河中心部に流入した分子ガスは、直径数百光年程度の大きさの高密度円盤を形成することが知られていますが、高解像度の観測データを用いることで、本研究ではそうした高密度分子ガス円盤からの光を正確に捉えることに成功しました(図1)。

図1. (左)今回調査した天体の1つ、NGC 7469の可視光画像。(右)NGC 7469の中心領域を アルマ望遠鏡を用いて観測することで得たHCN分子輝線の強度分布図(擬似カラー表示)。中心 の十字が超巨大ブラックホールの位置を示す。その周囲に、HCN輝線放射が密集している領域 = 高密度分子ガス円盤が見える。これは、銀河全体の100分の1程度の大きさである。

 

解析の結果、まず、HCN輝線の強度から見積もった「高密度分子ガス円盤の質量」と、「超巨大ブラックホールへのガス質量降着率」に強い正の相関があることが初めて明らかになりました(図2)。その一方、銀河全体(十万光年程度の大きさ)に広がるHCN輝線強度から別途見積もった「銀河全体の高密度ガスの総量」については、そのような相関関係は存在しませんでした。この結果は、超巨大ブラックホールへの質量供給源として、その周囲の高密度分子ガス円盤こそが重要な役割を果たす一方、銀河全体のガスの多寡は超巨大ブラックホールの成長に影響しないことを意味します。

図2.高密度分子ガス質量(横軸)と超巨大ブラックホールへのガス質量降着率(縦軸)の相関図。
青丸は銀河中心数百光年程度の大きさの高密度分子ガス円盤について測定したデータ、黒四角は銀河全域について測定したデータを示す。高密度分子ガス円盤スケール(数百光年程度)については、両物理量の間に良い相関関係(図中の実線)があることが観測的に初めて示された。その一方、銀河全域スケール(十万光年程度)では相関が見られない。

 

さらに、本研究チームは、高密度分子ガス円盤で働くガス質量降着機構として、図3の模式図で示される「超新星爆発で駆動される質量降着」説を取り上げました。これは、(i) 高密度分子ガス円盤で大質量星が形成される、(ii) 寿命を迎えた大質量星が超新星爆発を起こし、周囲のガスに強い乱流を発生させる、(iii) 乱流により安定な軌道運動を乱された分子ガスが、中心の超巨大ブラックホールに落ち込んでいく、という段階からなる理論モデルです。

図3.超新星爆発で駆動されるガス質量降着の模式図。高密度分子ガス円盤中で発生した超新星爆発により引き起こされた乱流の影響で、ガスは中心の超巨大ブラックホールへ向けて流入していく。このうちの一部はブラックホールの成長に使われ、残りはブラックホール近傍で発生する放射に押され、噴出流(アウトフロー)として外部へ吹き飛ばされる。したがって、図中の等式で表されるガ スの流入・流出の収支(① = ② + ③)が期待される。

 

このモデルは、超新星爆発(ひいては星形成)がガス質量降着の鍵であり、(1)で述べた先行研究「超巨大ブラックホールへのガス質量降着率と銀河中心部の星形成率とが相関する」も自然と説明できます。そこで、この理論モデルと実際の観測データから、高密度分子ガス円盤からさらに内側に流入するガス質量を計算し、その値を超巨大ブラックホール近傍で実際に消費されているガスの総量(超巨大ブラックホールの成長に使われる質量 + 超巨大ブラックホール近傍で発生する強い放射をあびて外部に吹き飛ばされてしまう質量)と比較したところ、これら2つの量は見事一致しました(図4)。

図4.理論モデルを用いて計算した高密度分子ガス円盤からさらに内側へ流入するガス量と、超巨大ブラックホール近傍で消費されるガスの総量(ブラックホール成長 + 噴出流)との比較図。多くの 観測データが揃っているNGC 4051とNGC 7469の2天体について作成した。誤差の範囲で、流 入・流出するガス量は完全に(100%)一致していることが示された。

 

本研究テーマは、まだまだ天体の観測例が少なく、さらなる理論・観測両面からの精密検証が必要です。しかし、これまで蓄積されてきた超巨大ブラックホールと星成分の研究に、低温高密度分子ガスの観測を新機軸として加え、銀河中心数百光年以内の小さい領域におけるガス質量の流入・流出の収支を初めて整合的に説明できた点が画期的であり(図5)、今後の研究の方向性を示す重要な萌芽的成果と言えます。

図5.銀河中心部で起きている超巨大ブラックホールへのガス質量降着過程の想像図。高密度分子ガス円盤中で発生した超新星爆発が、周囲に強い乱流を引き起こし、安定な運動を妨げられたガスが中心に向かって流入する様子が描かれている。

 

3. 将来展望
本研究結果は、未だ謎の多い超巨大ブラックホールの起源に迫る重要な成果です。実は、超巨大ブラックホールは、宇宙のごく初期段階(宇宙年齢10億歳程度)で既に数多く形成されていたことが知られています。今後は、アルマ望遠鏡の高解像度観測を活かして、初期宇宙の銀河の中心部にある高密度分子ガス円盤の性質を詳しく調査することで、宇宙の古今にわたる超巨大ブラックホール成長過程の包括的理解を深めることを目指しています。

 

発表雑誌

雑誌名 The Astrophysical Journal(オンライン版:日本時間8月10日)
論文タイトル Do Circumnuclear Dense Gas Disks Drive Mass Accretion onto Supermassive Black Holes?
著者 Takuma Izumi, Nozomu Kawakatu, Kotaro Kohno
DOI番号
論文URL

 

用語解説

注1 超巨大ブラックホール

太陽の数百万倍から十億倍程度の質量を持つブラックホール。どうやってその大質量を得たのか、その形成機構は未解明の問題となっている。

注2 アルマ望遠鏡

正式名称は「アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計」。南米チリのアタカマ高地(標高5000m)に設置された、12mアンテナ54台、7mアンテナ12台からなる世界最高性能の巨大電波望遠鏡群。東アジア、北米、ヨーロッパを中心とする国際共同プロジェクトで、感度と解像度でこれまでの電波望遠鏡を10-100倍上回る性能を持ち、本研究も含め、続々と革新的な科学成果を生み出している。

注3 超新星爆発

太陽の8倍以上の大質量星が、その一生の最後に起こす大爆発現象。宇宙空間における重元素の重要な供給源でもある。銀河中心部のガス円盤中で発生した場合には、周囲のガスに対し強い乱流を発生させ、効果的に角運動量を引き抜き、ブラックホールへの質量降着を促進する機能を果たすと期待される。

注4 星間物質

宇宙空間は完全な真空ではなく、希薄ながらもガスや塵(固体微粒子)が漂っている。これらを総称して星間物質と呼ぶ。特に高密度の低温分子ガスは、銀河中心部における星間物質の主たる存在形態であり、星形成の母体でもある。

注5 分子輝線

分子のエネルギー状態は量子力学により記述され、とびとびの準位を持つ。あるエネルギー状態が別のエネルギー状態に遷移するときに、その準位差に相当するエネルギーの電磁波を放出(輝線)または吸収(吸収)する。分子の場合は、その回転状態の変化に伴う輝線(回転遷移線)が特によく観測される。

※本文中での「高密度ガス円盤」を「高密度分子ガス円盤」に統一いたしました。

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―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―