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岡山UM 2016/9/8

クェーサーの光度変化とアウトフローの時間変動の相関

信州大学
堀内 貴史
共同研究者: 三澤透1, 諸隈智貴2, 小山田涼香1, 和田 久1(1:信州大学, 2: 東京大学)

目次

2/15	  	• 導入・研究の目的
• 観測
• 結果
• 考察
• 展望・まとめ

1) クェーサーの構造とアウトフローの吸収線
2) アウトフローの時間変動と研究目的

アウトフローの観測: クェーサーに付随する吸収線

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ESA

アウトフロー由来の吸収線
三澤,天文月報, 2007

幅が広くて目立つ
クェーサーとアウトフロー(竜巻状の高速度のガス流)の想像図

アウトフロー研究の主流
物理量の評価が可能

Hamman et al. (2012)
黒丸： アウトフロー

近年注目されている物理量の評価が可能

アウトフローの構造は円盤を見込む角度に依存するとする説が有力

近年注目されているアウトフローの時間変動
三澤,天文月報, 2007

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HS1603+3820のCIV mini-BAL
Misawa et al. (2005)

時間変動を示すものが多い	  	  	  	  	  	 時間変動を示すものが多い

時間変動を示すものが少ない

劇的な変動!!

時間変動の原因はよくわかっていない!!

電離状態変動シナリオと研究目的
・最も有力なシナリオ
www.zmescience.com	

クェーサーの光度変動がアウトフローガスの電離状態に変化を与えるというシナリオ・研究目的
mini-BAL, NALを持つクェー
サーのアウトフローの電離状態変動(VIS)シナリオの検証
VIS: Variable Ionization State 	

変光

アウトフロー由来の吸収線浅くなる
or深くなる

光度変動と吸収線の変動が同期する傾向を示せばVISを支持する結果!!

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目次
• 導入・研究の目的	  • 観測	
• 結果
• 考察
• 展望・まとめ

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同時モニター観測によるVISシナリオの検証
spectrometry

CIV mini-BAL©国立天文台188cm反射望遠鏡 withKOOLS
光度変動と吸収線の変動が7/15

QSO

分光モニター観測(grism: VPH495)

同期するのかどうかを調査!

QSO
imaging©	  木曽観測所	

QSO

測光モニター観測ﬁlter: SDSS u,g, i

105cmシュミット望遠鏡 with KWFC

可視分光・測光同時モニター観測を3年にわたり実施
ターゲット: HS1603+3820, 赤方偏移 z = 2.542,
光度L 〜 1048 erg/s (かなり明るい)

目次

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• 導入・研究の目的• 観測
mini-BALクェーサーHS1603+3820の	  • 結果	
分光・測光同時モニター観測について• 考察• 展望・まとめ

HS1603+3820

測光・分光観測で得られた光度曲線と吸収線 9/15
ターゲット天体 : HS1603+3820 (mini-BAL)
黒 : 2012/9/19□: u-band■: g-band◯: i-band

マゼンタ : 2014/5/30

増光減光	
シアン: 2015/2/23

大きな変動!?
最大の光度変動: Δumax= 0.23 mag

緑 : 2015/5/21

HS1603の光度曲線(木曽)HS1603が有するCIV mini-BAL(岡山)光度曲線と吸収線等価幅の変動傾向

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Horiuchi et al. (2016)

mini-BALクェーサー
HS1603+3820の(a)明るさと(b)アウトフローの吸収線の変動傾向が同期!! (左図)

光度曲線 (木曽のデータ)□: u-band■: g-band◯: i-band→ mini-BALでの直接の確認は初!!

CIV mini-BALの等価幅(岡山のデータ)

VISシナリオを支持する可能性の高い結果 !
9カ月
変動傾向:ΔEWmax = 6.0 4.2Å

Webリリース: クェーサーから噴き出すガスの変動メカニズムに新知見
信大独創図鑑 http://www.shinshu-u.ac.jp/zukan/report/post-4.html

光度曲線と吸収線等価幅の変動傾向

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Horiuchi et al. (2016)

mini-BALクェーサー
HS1603+3820の(a)明るさと(b)アウトフローの吸収線の変動傾向が同期!! (左図)

光度曲線 (木曽のデータ)□: u-band■: g-band◯: i-band→ mini-BALでの直接の確認は初!!

CIV mini-BALの等価幅(岡山のデータ)

VISシナリオを支持する可能性の高い結果 !
9カ月
変動傾向:ΔEWmax = 6.0 4.2Å

Webリリース: クェーサーから噴き出すガスの変動メカニズムに新知見
信大独創図鑑 http://www.shinshu-u.ac.jp/zukan/report/post-4.html

目次
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•
•
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導入・研究の目的
観測
1) 先行研究との比較結果	  2) 観測された光度変動は考察	
アウトフローの変動に展望・まとめ影響を与えるのか？

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VISシナリオを支持する先行研究との比較 13/15
Horiuchi et al. (2016): mini-BAL
QSO: HS1603+3820

Trevese et al. (2013): BAL
QSO: APM 08279+5255

光度曲線

R band : λc~ 6000Å
0.3magの変動

光度曲線
CIV mini-BALの等価幅

CIV BALの等価幅

光度-等価幅分布における比較
HS1603におけるΔm-ΔEW
分布 (preliminary)

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APM 08279におけるΔR-EW分
布 (Trevese et al. 2013)

青: タイムラグ(9ヶ月)補正なし

黒: タイムラグ
補正あり

Trevese et al. (2013)同様に、本研究においても光度-等価幅分布に強い相関が確認できた!!

観測された光度変動でCIVの存在比は変動するのか?
電離パラメータ(IP)の変動

Δlog Umax 〜 - 0.1(= 0.23 / 2.5)	

CIV等価幅の変動

Δlog EWmax ~ 0.18(~ Δlogf (CIV))

IP: 減少 ↘
CIV EW︎: 増加 ↗
(-2 log U 0)︎

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アウトフローのVISシナリ
オは光度変動以外の補助機構が必要 !
(X-ray absorberの変動等)
optically thin

Red Bar: アウトフロー変動に要求される電離パラメータの変動= 0.2 !!
Hamann (1997)

観測における電離パラメータの変動は0.1→ 光度変動のみではVISを支持しない !

ionization parameter log U (U=nγ/ne)

まとめ•

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本研究では現在時間変動の原因として最も有力な『電離状態変動シナリオ』を検証すべく測光・分光同時モニター観測を3年以上にわたり行った (Horiuchi et al. 2016, PASJ, tmp, 53).
1. HS1603+3820に、光度とCIV mini-BALの変動傾向の同期を確認した. この傾向を同時モニターで確認したのは本研究が初!!
2. しかしながら、VISシナリオは光度変動のみでは完全に説明できない.
mini-BALクェーサーHS1603の光度変動の最大値は0.23等級であり、VISをサポートするには程度が小さい.
上記の結果は、VISシナリオの補助機構の存在を示唆する結果である. 補助機構の候補はX線で観測されるWarm Absorberの変動である.

HS1603のSEDと典型的なクェーサーのSEDの形状
HS1603のスペクトルフィッティング
KeckRozanska etal. (2013)

ChandraHamann (1997)
典型的なクェーサーのSED

VISシナリオの補助機構の考察

19/20

X線分光観測で観測される遮蔽ガス(候補はWarm Absorber ;e.g.
Krongold et al. 2007)の光学的厚さが変動することで、下流に存在するアウトフローガスの電離状態に影響を与えている可能性がある !
→ 補助機構はWarm Absorberの変動!?

可視・X線同時モニター観測で検証可能!

Luo et al. (2013)

クェーサーの変光でアウトフローが変動 !?
C IVに着目	
C IVCV

明るくなり強力な(電離)光子が増こう変化	

相対的にCIVは減る

相対的にCVは増える

C IVの吸収線浅く変化

イオンは強い光を受けると電離する(光電離)CVC IV

暗くなり強力な(電離)光子が減こう変化	

相対的にC Vは減る

C IVの吸収線

相対的にC IVは増える

イオンは受ける光が弱まると周りの電子とくっつく(再結合)深く変化Structure Function(SF)による光度変動解析•SF : 光度変動の大きさの平均値を各期間でプロットしたもの.

mini-BAL, NAL QSOのSFsに対しモデルフィット(ベキ, 漸近関数).

ベキ関数

漸近関数
•

mini-BAL, NALクェーサーの光度変動の仕方に大きな差はない.

Structure Function, |∆m| (mag)

•g

0.1

黒丸: mini-BAL QSO
白丸: NAL QSO
黒, 青実線: べき関数 (mini-BALとNAL)
黒, 青破線: 漸近関数 (mini-BALとNAL)

中心波長467 nm

Sa	  :	  	  	  	  	  Δτa	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  V	 a	  	  	mini-BAL
QSO
NAL QSO

0.01

10100

Rest Frame Time Lag (days)

16	  /	  21	••

各期間における光度変動の大きさ|Δm|	  もOver	  Plotした.	  	  mini-­‐BAL,	  NAL	  QSOの	  |Δm|の最大値	  (u-­‐band)	  mini-­‐BAL	  QSO	  :	  	  	   0.23	  mag	  (HS1603+3820)		  NAL	  QSO	  :	  	  	  0.30	  mag	  (Q1700+6416)		  	  	  0.3等級はサンプル中	   で最大の光度変動	  	Structure Function, |∆m| (mag)

Structure	  Func4on(SF)による光度変動解析		  u 中心波長	  353	  nm	

0.1黒丸:	  mini-­‐BAL	  QSO	  白丸:	  NAL	  QSO	  黒,	  青実線:	  べき関数	  (mini-­‐BALとNAL)	  	  	  黒,	  青破線:	  漸近関数	  (mini-­‐BALとNAL)	  	  	  0.01

10100

Rest Frame Time Lag (days)

17	  /	  21	

SFの波長依存性	  (our	  quasar)	
0.45
0.4

Vanden	  Berk	  et	  al.	  (2004)	  25000個の一般的なクェーサー	

0.35
Structure Function (mag)• 	  光度変動の波長依存性を推定.	  	  • 	  FiSng	  Model	  (Vanden	  Berk	  et	  al.	  2004)	  :	  黒点線	  	  	  • mini-­‐BAL,	  NALクェーサー
も、短波長側の方が光度の変動が大きいという性質を示す	  (一般のクェーサー同様).	  

912Å	0.3
0.25
0.2

黒丸:	  mini-­‐BAL	  QSO	  白丸:	  NAL	  QSO	  黒実線:	  平均観測期間90days以上のSF.	

0.15
0.1
0.05
800

Our	  Result	Our	  Result	
1000

1200

緑実線:	  平均観測期	  間90days以下のSF.	

1400

1600

1800

2000

2200

Rest Frame central wavelength (Å)

2400

2600

HS1603のCIV,	  SiIVとNV	

色変動 ‒ 光度変動の関係

SDSS: HS1603のスペクトル

CIV mini-BAL
柱密度(近似)時間変動の原因は何? : ガスの横断と電離状態の変動
電離状態変動シナリオ

ガスの横断シナリオ
CIV
QSO

Vφ	Vary !

アウトフローの一部がQSO-視線間からそれることで吸収線が変動
Misawa et al. (2007)では否定的(理由: mini-BAL中の、異なる速度成分をもつ複数のガスが一斉に変動!!)

CVC lll

アウトフローの電離状態が変動→ ガスの存在比が変動→ 吸収線が変動

電離状態の変動はBALでは賛否が分かれている→ mini-BAL(とNAL)クェーサー
が本研究のターゲット!!

ガスの視線上の横断が有力

電離状態の変動が有力

BAL

Capellupo et al. (2012,2014), Gibson et al. (2008),
Wildy et al. (2014), etc

Hamann et al.(2011),
Trevese et al. (2013),
Wang et al. (2015),
Grier et al. (2015), etc

mini-BAL

Muzahid et al. (2015)(ただしEUV領域での検証)

本研究で賛否を検証時間変動の原因は?: ガスの横断, 散乱光の増減, 電離状態の変動	   ガスの横断	   シナリオ	  	  	  Vφ		QSO

8/20

HS1603+3820のCIV mini-BAL

アウトフローの一部がQSO-視線間可能性は低い!!
からそれることで(Misawaet al. 2007)
吸収線が変動	  e	  	 散乱光の増減シナリオ		  e	  	e	  	e	  	偏光をもたらすe	  		  電子の変動に可能性は低い!!	  
よって、吸収線(Misawaet al. 2010)
電子による	  が変動トムソン散乱	
QSO

Misawa et al. (2005)

偏光度はわずか0.6%, 増加も無し	  電離状態変動シナリオ	  	  CIV	  	  C lllCV	

アウトフローの電離状態が変動→ ガスの存在比が変動→ 吸収線が変動

BALでは電離状態変動シナリオは賛否が分かれる→ mini-BAL(とNAL)クェーサーが本研究のターゲット!!

観測された光度変動でCIVの存在比は変動するのか? 18/20
観測で得たHS1603に関する様々な値
電離パラメータの変動: Δlog Umax

~ 0.1(=Δumax/ 2.5)

CIV等価幅の変動:
Δlog EWmax~0.18(~ Δlogf (CIV))

Δlog EW/Δlog U~1.8

アウトフローのVISシナリ
オは光度変動以外の補助機構が必要!?

青領域: 観測で得たΔlog EW/Δlog Uを再現するlog U の領域 (VISを支持)
赤領域: 観測で得たΔlog EW/Δlog Uを再現しない領域 (光度変動のみでVISを支持できる可能性は低い)

Hamann (1997)

HS1603のアウトフローの他の特徴:
NVが強く、SiIVがほぼ受からない→ log Uは赤色の領域と推測できる(VISを支持できる可能性は低い!)

optically thin	  	電離パラメーター(U=nγ/ne)クェーサーの構造とアウトフロー

28/16(ESA/AOES Medialab)

アウトフロー放出のメカニズムは輻射圧(Proga et al. 2000)+ 磁気圧 (Everett2005) の効果が有力

アウトフローの観測にはクェーサーの吸収線を使う!!
クェーサーとアウトフロー(竜巻状の高速度のガス流)の想像図(効果 i) 降着円盤から角運動量を排除し、新たなガスの降着を促進→クェーサーの成長に重要 (Murray et al. 1995, Proga et al. 2000)(効果 ii) 大量のエネルギー、金属を放出 → 母銀河・銀河間空間の化学進化も促進(Di Matteo et al. 2005 ; Moll et al. 2007; Dunn et al. 2012)