THz帯で観る活動銀河核(AGN)とその母銀河-- 高赤方偏移探査へ向けたAGNの赤外線放射の理解 -川口 俊宏 (尾道市立大)1. 高赤方偏移で期待されるAGNの特徴(Shirakata, Kawaguchi et al. 2019b, MN)

2. 赤外線放射が弱い (Dust poor, Dust deficient) AGN
3. 南極THz望遠鏡でのAGN輝線検出の検討(2019年12月21日 「テラヘルツ波が拓く新しい宇宙像」研究会

Supermassive Black Holes at high-redshift* >10^9 Msun SMBHs even at z > 7(Martlock +11; Banados + 18; Y. Matsuoka +19)

* How do they form? (いつから存在するのか?)* 銀河間物質を探る光源 Surveys at yet higher-redshift大赤方偏移宇宙での超大質量ブラックホール
高赤方偏移(z >~ 9)では、大光度(大BH質量) AGNに頼った探査では、観測可能な宇宙に1個以下の期待値しかなくなる より低光度・比較的軽めの巨大BHの探査が必須
個数期待値(>~ 10^9 Msun)

探査で見つかる
個数期待値

赤方偏移(Fan 2019, arXiv:1903.04078)

明るさ(右ほど暗い・小BH質量)Semi-analytical approach to the SMBH growth history

Model explains many statistical properties of galaxies
and SMBHs/AGNs(Ishiyama + 15; Makiya + 16; Shirakata + 19a)

AGN luminosity function andredshift-evolutiion

Local SMBH mass function

Results (1/7): Eddington ratio distribution (v.s. observations)• Well explains the observed results• Especially, when limited to M_BH > 10^8 Msun

(Shirakata+19b)z~0z ~ 1.3

Eddington
Ratio(AGN光度/中心ブラックホール質量の比)

Eddington
Ratio(Nobuta+12)> 10^8 Msun
BH masss

Results (2/7): Eddington ratio distribution (mass & z bins)

redshift

臨界ガス降
着率で規格化した
Accretion
rate

Smaller BH mass

Heavier BH mass
Eddington光度で規格化した
Luminosity

Results (2/7): Eddington ratio distribution (mass & z bins)

redshift

Accretion
rate

Smaller BH mass

Heavier BH mass

Flatter slope at higher-z= 高赤方偏移ほど、大降着率Luminosity
SMBHの割合が増える

Results (2/7): Eddington ratio distribution (mass & z bins)
Gas fractionin each galaxyAccretion
rate

redshift

More gas richat higher-z= 昔ほど、ガス降着
Heavier BH mass
Smaller BH mass
Flatter slope at higher-z率が大きくなる原因
redshift
Luminosity

Results (2/7): Eddington ratio distribution (mass & z bins)

redshift

Accretion
rate

Smaller BH mass

Heavier BH mass

Flatter slope at smaller BH mass
= 軽いSMBHほど超臨界ガスLuminosity
降着になり易いResults (2/7): Eddington ratio distribution (mass & z bins)

redshift

Histgramof fueling gas

Accretion
rate

Smaller BH mass

Heavier BH mass

Flatter slope at smaller BH mass
Fueling gas, Luminosity
w/ littledependence on central
BH mass

Results (3/7):
Representative normalized accretion rate (mass & z dependency)
規格化したAccretion
rateのkneeの値
Smaller BH mass

Heavier BH mass

redshift

Super-Eddington accretion is more common at higher-z
and smaller mass BHs

THz帯で観る活動銀河核(AGN)とその母銀河-- 高赤方偏移探査へ向けたAGNの赤外線放射の理解 -川口 俊宏 (尾道市立大)1. 高赤方偏移で期待されるAGNの特徴(Shirakata, Kawaguchi et al. 2019b)

2. 赤外線放射が弱いAGN
3. 南極THz望遠鏡でのAGN輝線検出の検討(2019年12月21日 「テラヘルツ波が拓く新しい宇宙像」研究会

AGNの赤外線放射(1/2): 2型天体の成分分離の例

AGN host galaxy

AGN dust torus(Efstathiou + 2013)

AGNの赤外線放射(2/2): 例外的に母銀河の赤外線放射が極めて弱い天体もz = 0.008
Seyfert 2

赤外線放射がpure AGNで説明できる天体

AGN dusty torus
Stellar light of
host galaxy

Dust emission ofhost galaxy(Rosario + 18)

大降着率AGNの赤外線放射(1/2): 赤外線は強いかも(Kawaguchi + Aoki 2001, Mexico)

PAH強度(母銀河での星形成強度の指標)(Sani + 2010)

Eddington ratio

大降着率AGNの赤外線放射(2/2): 赤外線強度はEddington比と関係無いかもHigher Redshift(Rosario + 13)~星形成光度しかし、Selection bias 込み(大Eddington比AGN:
low BH mass & low galaxy massを含みがち SFR 低く出る)

Eddington ratio (~ L_AGN / M_BH)

星形成率/星質量 比
Eddington ratio(Young + 14)赤外線が弱いAGN・母銀河がどんどん見つかってきた (1/2)
PG QSOsSDSS QSOs

Rest-frameでの近赤外線/可視光の光度比
明るいAGN程、NIRでの放射強度が弱くなる(Mor & Trakhtenbrot 11)

大光度AGN赤外線が弱いAGN・母銀河がどんどん見つかってきた (2/2)
近・中・遠赤外線が弱い

中・遠赤外線が弱い

典型的なAGNトーラス(母銀河引き後)

Hot Dust Deficient
AGN

Warm Dust
Deficient
AGN(Lyu, Rieke, Shi 2017)

赤外線が弱いAGN・母銀河の特徴 (1/2):
近赤外線が弱いAGNは、Eddington比が大きい天体が占める

近赤外線weak天体の割合数

光度

超臨界ガス降着(Jun +13)

Eddington比

赤外線が弱いAGN・母銀河の特徴 (2/2):
赤外線が弱いAGNは、Eddington比と関係ないかも

AGN光度

赤外線が弱いAGNは、Eddington比が大きい天体が多いわけではない
赤点(HDD)も緑点(WDD)も、灰色(典型的AGN)より左上に寄っているわけではない

弱赤外線AGNはまだ少し混沌?

ブラックホール質量(Lyu, Rieke, Shi 2017)

THz帯で観る活動銀河核(AGN)とその母銀河-- 高赤方偏移探査へ向けたAGNの赤外線放射の理解 -川口 俊宏 (尾道市立大)1. 高赤方偏移で期待されるAGNの特徴(Shirakata, Kawaguchi et al. 2019b)

2. 赤外線放射が弱いAGN
3. 南極THz望遠鏡でのAGN輝線検出の検討(2019年12月21日 「テラヘルツ波が拓く新しい宇宙像」研究会

AGN・母銀河からの赤外線輝線 (1/2)
AGNの輝線(母銀河)[O IV] 26um
Ionizationenergy= 55eV

波長(Hood + 2017)

AGN・母銀河からの赤外線輝線 (2/2)[O IV] 光度* z~10のAGNからの[O IV] 26um 輝線* 10^43 erg/s の光度, 300km/s の輝線速度幅を想定* 1THz (300um)で、 1分露出の感度を基
 ~100日 on-source必要 (現実的には無理そう)* 急いで試算しているので、間違っていたらすみません* SPICAなどより短波長側装置で、 [O IV]がもっと明るい天体を見つければ、現実的に?
* [S III], [Si II]の検出の方がより現実的か
ブラックホール質量(Melendez + 2010)まとめ
高赤方偏移(e.g., z >~ 9)では、大光度(重BH)だけを狙っては探査できない- 期待個数 ~< 1- 質量分布(mass function)右下がり: 典型的BHでない
高赤方偏移・軽めの巨大BHでは、超臨界ガス降着天体が相対的により多く(どんどん多数派に)(Shirakata et al. MN, 2019b)

大降着率AGN・母銀河の赤外線放射・星形成が強いのかどうかは未解決[O IV] 26um 輝線(@z~10)は南極THz望遠鏡では検出難
しそう(2019年12月21日 「テラヘルツ波が拓く新しい宇宙像」研究会