博 士 （ 理 学 ） 福 田 浩 之
学位論文題名TheRoleofaCentralSupermasslVe
BlackHoleinGasFueling（ガス供給機構における銀河中心の巨大ブラックホールの役割）

学位論文内容の要旨
活動的銀河核や銀河中心領域での爆発的星形成など、系外銀河の銀河中心領域では活発な活動が多く観測されている。活動的銀河核はその大きな光度と光っている領域の狭さから、恒星の集団では説明がっかず、銀河中心にある巨大ブラックホールに流入するガスが重カェネルギーを解放して光っているというモデルが提案されている。この流入するガスは銀河スケールに分布していたものが銀河中心ヘ供給されたと考えられている。また、銀河中心領域での爆発的星形成の場合にも星の材料となるガスの供給源として銀河スケールに分布しているガスが考えられている。このように、銀河スケールから銀河中心部へのガス供給は銀河中心での活発な活動の説明のために必要と考えられている。しかし、この銀河中心へのガス供給のためにはガスのもつ角運動量を大幅に失わせる必要があり、その機構はまだ明らかにされていない。このガス供給機構の解明は現在の宇宙物理学の重要な課題のひとっとなっている。
これまでの研究から、円盤銀河の約半数に存在している銀河の円盤中の棒状の構造と関係したガス供給機構が明らかにされている。これは、この棒状構造による非軸対称な重カポテンシャルと円盤銀河内の星間ガスの回転運動の間の共鳴（リンドブラッド共鳴）によって、ガスを集めることができるというものである。この機構によって、爆発的星形成の中でも比較的大きい領域で起きているものは説明が可能となった。しかし、この機構
ではりンドブラッド共鳴点の位置より内側にガスを供給するはできないた
め、活動的銀河核やより中心付近の領域での爆発的星形成には不十分であった。
そこで我々は、銀河中心に巨大プラックホールが存在する場合に通常のりンドブラッド共鳴より内側にもうーっりンドブラッド共鳴があらわれることに注目し、これが従来のりンドブラッド共鳴の半径よりも内側にガスを供給する機構となりうるかを数値計算を用いて調べた。我々が用いた数値計算法は、SPH法と呼ばれるもので、大きさをもった仮想的な粒子の集団で流体を記述する数値計算法である。この方法は今回のようなダイナミックレンジの大きな流体の運動を計算するのに適している。我々の計算では、星間ガスの自己重カは銀河中の星々のそれにくらべ十分弱いため、ガスの運動のみを計算して、銀河の星の分布は固定してその重カポテンシャルを外場として扱った。
我々の数値計算の結果、巨大ブラックホールによるりンドブラッド共鳴が存在する場合には、この共鳴点付近にスパイラル状衝撃波が形成され、この衝撃波によってガスが集められてガスリングが形成されることが分かった。このガスリングの半径はこの共鳴点の銀河中心からの距離の約五分のーとなった。また、集められたガスの範囲はりンドブラッド共鳴点の距離の数倍の半径であることも分かった。得られたガスリングは銀河中心で のりン グ状 の爆 発的 星形成 領域 に対 応する 空間 的大きさをもつ。
次に、このガスリングの自己重カの強さを見積もったところ、通常の銀河に存在するガスの質量程度でりングが自己重力不安定になることが期待されることがわかった。そこで、我々はガスの自己重カも考慮した数値計算を行い、ガスリングの自己重カの効果を調べた。
その結果、このガスリングが実際に自己重力不安定になる条件は、自己重カを考慮していない場合の計算の結果からの推定とほぼ一致することが分かった。自己重力不安定になった場合のガスリングはいくっかの塊に分裂し、その塊同士が衝突することにより巨大なガス塊が形成された。この巨大なガス塊の重カによるトルクにより、ガスリングの一部は角運動量を失い、ガスリングの内側にガスデイスクが形成されることが分かった。この巨大なガス塊は、周囲の星との相互作用により角運動量を失って中心ヘ落ちて行き、さらなるガス供給を引き起こすことが期待される。また、この巨大なガス塊は、銀河中心領域で見っかっている巨大な分子雲や巨大な星団をの成因となる可能性がある。
以上のように、活動的銀河核のモデルに必要なガス供給が、銀河中心に巨 大ブラ ック ホー ルに よって 引き 起こ される 過程 を明らかにした。

学位論文審査の要旨
主査
副査
副査
副査
副査教授
教授
教授
助教授
助教授

藤本正行
石川健三
和田 宏
兼古 昇
羽部朝男

学 位 論 文 題名
The Role ofaCentral Supermassive
Black Hole in Gas Fueling（ ガス 供給 機構 にお ける銀河中心の巨大ブラックホールの役割）

系 外 銀 河 系 で は 、 活 動 的 な 銀 河 核 (AGN)と 呼 ば れ る 活 発 な 活 動 が 多 く 観 測 さ れて い る 。 こ れ は 、 中 心 の 非 常 に 小 さ な 領 域 （ 〜 10− 4pc)か ら 、 銀 河 全 体 に 匹 敵 す る
膨 大 な エ ネ ル ギ ー を 放 出 し て い る 現 象 で あ る 。 AGNの エ ネ ル ギ ー 発 生 機 構 と し ては 、 銀 河 中 心 に 巨 大 な ブ ラ ッ ク ホ ー ル （ 質 量 l06〜 l09 Mo） を 仮 定 し 、 そ こ に ガ スが 流 入 す る こ と に よ っ て 重 カエ ネ ル ギ ー を開 放す ると ぃう モデ ルが 有カ と考え られて いる 。非 常に 大き な高 度を 保っ ため には 、ほ ぽ銀 河全体 に存在するガスを必要と す る た め 、 こ の モ デ ル に は 、 銀 河 円 盤 （ 半 径 〜 10kpc)か ら 、 AGNの エ ネ ル ギ ー
発 生 領 域 ま で ど の よ う に し てガ ス を 供 給 する のか とぃ う問 題が 存在 して いる。 銀河 中 心 部 へ の ガ ス 供 給 の た めに は 、 銀 河 円盤 のガ スの もつ 角運 動量 を失 わせる 必
要 が あ る が 、 本 研 究 は そ の 機 構 の 解 明 を 目 指 し た も の で あ る 。
こ のガ スの 角運 動量 の輸 送機 構と して は、 これ まで 、円盤 銀河の約半数に存在して い る bar構 造 に よ る ガ ス 供 給 機 構 が 提 案 さ れ て き た 。 こ れ は barの っ く る 非 軸
対称 な重 カポ テン シャ ´レ と円 盤銀 河内 の星 間ガ ス雲 の回転 運動からの摂動の共鳴（ ILR; Inner Lindblad Resonance)に よ っ て ガ ス を 中 心 部 に 集 め る と い う も の で あ るが 、 こ れ に よ っ て 、 銀 河 ス ケ ー ル か ら ILR共 鳴 点 の 半 径 の 半 分 程 度 （ 〜 lkpc） ま で集 め る こ と が 可 能 で あ る こ と が 示 さ れ た 。 ま た 、 巨 大 ブ ラ ッ ク ホ ー ル か ら 数 10pc
葉 に で は 、 降 着 円 盤 内 で の 乱流 粘 性 に よ るガ スの 角運 動量 輸送 が効 いて くると 考
え ら れ て い る 。 し た が っ て 、 AGNの 活 動 を 説 明 す る た め に は 、 こ の 間 を っ な ぐ 、 ガスの 角運 動量 の輸 送機 構が 必要 であ る。
本 研 究 で は 、 銀 河 中 心 に 巨 大 ブ ラ ッ ク ホ ー ル が 存 在 す る 場 合 に 、 上 記 の ILRの 内側 に も う ひ と つ の ILR（ 以 下 で は 、 NLRと 呼 ん で 区 別 す る ） が 現 れ る こ と に 着 目 し 、そ れ が ガ ス 供 給 に 及 ぼ す 効 果を 研 究 し て いる 。こ の問 題は 、散 逸を 伴う 非線型 の流体力学系の時間発展を調べることになり、数値的な手法によってのみ扱うことが可能である。著者は、SPH（SmoothedParticleHydrodynamlcs）法を応用して、数値シミュレーションのコードを開発し、この問題を解いた。その計算結果に基づぃて、巨大ブラックホールが存在する場合には、NLRの半径付近に渦状の衝撃波が発生し 、この衝撃 波によって 、ガスリン グが、NLRの半径の約1/5すなわち、150pcの付 近に形成さ れることを 示した。巨 大ブラックホールによるNLRの効果によって、 ガスを、barのILRのみの場合より、されに約一桁小さな領域に集められることになる。このため、ガスリングの密度が大きくなり、自己重カで不安定になることが期待されることを見出した。
著者は、ついで、ガスの自己重カも考慮した、時間発展の数値計算を実行し、実際、ガスリングが自己重力不安定を起し、分裂に至ることを示した。分裂したガスの塊は、互いに衝突・合体を繰り返えすことによって、巨大なガス塊（質量l07MO）に成長、このガス塊との重力相互作用によって、ガスリングのガスは、角運動量を失い、さらに、〜 1/3ほど、ブラックホールに落下し、その周りにガス円盤を形成することがわかった。数値計算の精度の限界のため、これ以後の時間発展で追うことはできない。しかし、この構造と連星系での降着円盤と類似にから、巨大ガス塊のトルクによって、ガス円盤に渦状衝撃波が発生し、それによる、角運動量の輸送の結果、ガスはさらに中心に落ち、乱流粘性の効く領域まで、もたらされると類推されると論じている。
以上のように、非軸対称なbar構造と巨大ブラックホールの存在とぃう枠組みの中で、ガスの角運動量輸送、銀河円盤から銀河中心へのガスの集積過程を研究し、AGNのモデル に必要なガ ス供給の具 体な機構を明らかにした。これは、円盤銀河内のガスの運動、活動的な中心核の構造と進化について、理解をすすめ、これらの天体現象の解明に重要な寄与をしたもの評価できる。よって、著者は、北海道大学博士（理学）を授与される資格があるもとの認める。