JVNで探る銀河中心領域のコンパクト電波源
2019/11/25 VLBI懇談会@大妻女子大学
山口大学 助廣沙知共同研究者：藤沢健太、兵藤克樹 (山口大学)、米倉覚則 (茨城大学)!1

超大質量ブラックホールの形成過程- 超大質量ブラックホールの形成過程は未解明→ 連星系のブラックホールの場合、伴星からのガスの降着により質量が増加- 宇宙誕生から6.9億年の時に 8 × 108 Msunの超大質量ブラックホールが存在することが発見 (Bram et al. 2017)

Cygnus X-1の想像図(https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-a-black-hole-58.html)→ 特殊な形成メカニズムの存在を示唆!2

超大質量ブラックホールの形成過程- ブラックホール同士の合体成長- 103-5 Msun のIMBH (IntermediateBlack hole)の形成過程としていく
つかの説が存在- それらがまた合体して超大質量ブ
ラックホールになる (Treister et al.
2013)
MBH(Massive Black Hole)の形成過程の説(Marta Volonteri. 2010)

研究目的：銀河系内のブラックホールの発見!3

ブラックホールの探査- 銀河中心領域を電波でのVLBI観測で探査① 銀河中心にはブラックホールが多数存在するとされている- 超大質量ブラックホール付近には、銀河系の恒星動力学の研究から、ブラックホールが多数存在すると予想されている(Miralda-Escude, J. & Gould, A. 2000)- チャンドラX線観測衛星を使用した研究(Charles et al. 2018)- Sgr A* から 1 pc 以内に低質量X線連星が発見- 伴星を持たない孤立したブラックホール ( Isolated Black
Hole (IBH) )の数を推定→ 数百個のブラックホールの存在が示唆!4

ブラックホールの探査- 銀河中心領域を電波でのVLBI観測で探査② 銀河中心領域はガス密度が高いので、電波光度が大きい- 伴星を持たない孤立したブラックホール ( Isolated Black
Hole (IBH) )は密度の高い星間物質または分子ガスからの降着による放射によって検出可能とされている- 検出可能な IBH はほとんどが銀河中心領域に存在するとされている(Tsuna et al. 2018)!5

ブラックホールの探査- 銀河中心領域を電波でのVLBI観測で探査① 電波でのVLBI観測で、コンパクトな天体を見分けることができる- X線ではできないVLBI観測を行うことで、天体のサイズを見積もることができる② 固有運動の測定ができる- X線ではできないVLBI観測を行うことで、天体が銀河回転に沿って運動しているかを調べることができる!6

ブラックホールの探査- 考えられる銀河系内ブラックホールの特徴
1. コンパクトな電波構造を持ち、高輝度な放射である
2. 短期の強度変動を示す
3. 背景AGNとは異なり、銀河回転に沿った固有運動を示す!7

ブラックホールの探査- 考えられる銀河系内ブラックホールの特徴
1. コンパクトな電波構造を持ち、高輝度な放射である- 銀河系内のブラックホール
GRS1915+105の電波構造は~1ʼʼ 以下のサイズ- ミリ秒角スケールの角度分解
能での観測が必要
GRS1915+105の電波イメージ(L. F. Rodriguez. & I. F. Mirabel. 1998)!8

ブラックホールの探査- 考えられる銀河系内ブラックホールの特徴
2. 短期の強度変動を示す- 天体のスケールがAGNなどの銀河スケールの場合、変動のタイムスケールは1年ほどになる- 観測で長期にわたり変動しないものを候補天体から除く

3C273の電波(波長7mm)とガンマ線での強度変動 (Lisakov et al. 2017)!9ブラックホールの探査- 考えられる銀河系内ブラックホールの特徴
3. 背景AGNとは異なり、銀河回転に沿った固有運動を示す
銀河中心に星が存在していたとき、1年間の星の移動距離 x は銀河回転の速度を 220 km/s とすると

x = 220 × 103 × 3 × 107 = 7 × 1012 [m]各距離に換算すると

x7 × 1012−8θ===2×10[rad] = 4 [mas]20Rsun 3 × 10
1年間で 4 ミリ秒角 ほど動くと考えられる!10

観測概要
ターゲット天体選出 ー 以下の5つの電波カタログから天体を選出した
表1. 各カタログの研究目的と探査範囲
観測周波数
探査範囲
カタログ
観測装置
銀経
銀緯[GHz]Becker(1994)
VLA
5-15°< l < 40° |b|< 0.4°
Lazio & Cordes(1998)
VLA
1.4, 5
表2 を参照Lazio & Cordes(2008)
VLA
1.4|l|< 1°|b|< 1°Roy(2005)
ATCA, VLA5, 8.4|l|< 6°|b|< 2°White(2005)
VLA
1.4, 5-20°< l < 120° |b|< 0.4°
表2. Lazio & Cordes(1998)の探査範囲
Field(銀河座標)
Field(銀河座標)
1357.9-1.070.2-0.7
2358.2-0.0
80.5+0.2
3358.7-0.0
91.0+1.6
4358.9+0.5
101.1-0.1
5359.9+0.2
111.3-0.0
60.0+0.0* 11個のポイントセンターを中心として 17ʼの範囲を探査!11

観測概要
ターゲット天体選出 ー 以下の4つの選出条件から天体を選出した＜ ターゲット天体選出条件 ＞
1. -5°< l < 5°, -2°< b < 2°または -9.5°< l < -5°, 5°< l <9.5°,-0.4°< b < 0.4°の範囲に位置する
2. 天体直径または長径が5 arcsec以下
3. 分解されておらず、複数のコンポーネントがない（Roy et al. 2005）
4. 8.4 GHz予想フラックス密度が 10 mJy以上、予想フラックス密度が算出でき

galactic

銀緯[degree]
longitude[degree]ない場合は 5 GHzのフラックス密度が 10 mJy以上
55Sgr A*00-5-515
15

10105500-5-5
銀経 longitude[degree][degree]galactic

天体の選出範囲-10-10-15-15!12

観測概要< 観測パラメータ >ー 1天体につき3スキャン、計5エポック観測
山口第一(32 m) 山口第二(34 m)

観測周波数
角度分解能
ターゲット天体数
1スキャンの積分時間
検出基準8.192 - 8.704 GHz
8.4 mas84 天体
360 s
SNR > 7日立(32 m)観測に使用した局

観測日時 (UT)1

2018/12/11 00:30:00 - 07:09:00

2

2018/12/15 00:14:00 - 06:48:00

3

2018/12/16 00:10:00 - 06:56:00

4

2019/05/21 13:51:00 - 20:30:00

5

2019/05/28 13:24:00 - 20:10:00

使用局
山口第二
日立
山口第一
日立

Tsys (山口, 日立)
70 K, 20 K
73 K, 20 K
70 K, 21 K
観測なし, 22 K
45 K, 29 K

!13

観測結果

55

[degree]galactic
latitude
銀緯[degree]- 84天体中16天体検出
検出天体
非検出天体

00

-5-5
15
15

10
10

550-50-5
銀経[degree]
Galactic
longitude[degree]-10-10-15-15

ターゲット天体空間分布図- 観測結果からフラックス密度と輝度温度の下限値を算出
2c S
TB =2kν 2θ 2c : 光速
S : フラックス密度
k : ボルツマン定数

ν : 周波数
θ : 角度分解能!14

観測結果- 輝度温度は16天体全てで 7 × 105 K を超えた
検出天体のフラックス密度と輝度温度
Epoch
J172757-345548
J173107-343227
J173107-343222
J174151-305057
J174317-305818
J174034-300851
J174127-295429
J174054-292950
J175230-300165
J175233-295644
J175649-280737
J175446-255605
J175343-252609
J175602-252506
J175823-234311
J180143-221427

フラックス密度 [mJy]123
4
1224.9 25.7 22.3
110.4 101.6 94.2
106.6 96.8 84.0
9.0
12.8
25.3 31.7
(4.2)
6.0
5.8
5.0
16.5 15.7
135.7 133.4
151.7 130.3
(8.0)
(8.1)
9.7(8.1)
76.2 82.060.1
21.7 21.6
20.3
169.7 151.8
201.8
38.4 31.7
35.3

512.0
33.7
5.7
5.6
15.1
61.8
72.4
6.8
7.7

輝度温度
[106 K]>5.5>20>19>2.6>7.0>1.3>1.3>3.9>31>35>0.74>2.1>12>3.1>22>3.2() : 上限値 空白 : 観測なし!15X線天体との同定- 今回観測した天体がチャンドラX線カタログ (Evans et al. 2010)に掲載されているか調べた ➡ 84天体中3天体がX線源と同定された84天体のうちX源と同定された3天体
RASource[degree] [degree]
261.98747 -34.93051
265.67090 -30.37722
268.42848 -25.43576

J172757-345548
J174241-302236
J175353-252609

55[degree]galacticlatitude
銀緯[degree]

DEC00-5-51515ePs

Energy flux

電波源との距離[arcsec] [10-16 Wm-2]
4.81
1.08
2.37
12.4
14.49
2.89

[arcsec]
2.02615
1.975817.44256

J172757-345548
J174241-302236
J175353-252609

1010550-50-5
銀経[degree]
Galactic
longitude[degree]-10-10

観測天体のうちX線で検出されていた3天体の空間分布図-15-15!16

X線天体との同定- X線と電波を放射している2天体はブラックホールである可能性が高い- X線強度が高い天体が今回の電波観測で検出されていない→ 広がった構造を持っている可能性
X線と電波の放射強度の関係- 本観測で検出
J172757-345548
J175343-252609▶

銀河系内のブラックホール
or
銀河系外の活動銀河核!17

赤外線天体との同定- 今回観測した天体があかり赤外線カタログ (Ishihara et al. 2010)に掲載
されているか調べた ➡ 84天体中20天体が赤外源と同定された84天体のうち赤外線源と同定された20天体
SourceJ172150-364116
J172350-363855
J172748-353908
J172624-350139
J172913-343246
J173141-330216
J173225-331608
J173443-331326
J173445-324848
J174312-292603
J174503-291555
J174454-291412
J174928-292047
J174720-282344
J174924-281357
J174810-275441J175209-265910
J175247-263544
J175431-255107
J180204-221622

RADEC

Flux density

Flux density

電波源との距離[degree]260.46077
260.95976
261.95154
261.60190
262.30597
262.92335
263.10630
263.68226
263.69013
265.80058
266.26349
266.22831
267.36673
266.83422
267.35382
267.04132
268.03759
268.19760
268.63164
270.52001[degree]-36.68820-36.64793-35.65447-35.02782-34.54672-33.03959-33.26889-33.22335-32.81410-29.43493-29.26584-29.23689-29.34676-28.39628-28.23276-27.91198-26.98680-26.59577-25.85362-22.27279

9 μm [Jy]
10.3
3.66
13.6

18 μm [Jy]87.3

[arcsec]
1.71483
3.759447.79595
2.08859
1.43198
7.47155
1.842103.41122
2.14336
2.196592.636121.77748
1.22226
3.545410.768742.68886
2.567940.138855.86380
1.01712

8.46
12.3

49.1
30.1
3.65
18.2
0.282
5.05
0.452
0.626
29.8
23.1
1.07

1.01

4.39

0.523
0.604
0.723
0.351
4.47
3.57

!18赤外線天体との同定- 今回観測した天体があかり赤外線カタログ (Ishihara et al. 2010)に掲載

galacticlatitude
銀緯 [degree][degree]

されているか調べた ➡ 84天体中20天体が赤外源と同定された
5500-5-5151510105500-5-5
銀経[degree]
Galactic
longitude[degree]-10-10-15-15

観測天体のうち赤外線で検出された20天体の空間分布図- 赤外線で検出されていた20天体は、今回の観測で非検出であった→ 銀河系内のHⅡ領域の可能性!19

今後の展望- 今回観測した84天体はカタログから任意に選ばれた- より統計的な議論を行うために再観測を行う- White et al. 2005から以下の条件で天体を101天体選出＜ ターゲット天体選出条件 ＞
1. -5°< l < 5°, -0.4°< b < 0.4°の範囲に位置する
2. 天体直径または長径が5 arcsec以下
3. 5 GHzのフラックス密度が 10 mJy以上!20

今後の展望- 選出した101天体に対して山口ー茨城の1基線で観測を今年度中に行う予定（11月末にJVNに観測提案を提出予定）- 1天体につき1スキャンを計

山口第一(32 m) 山口第二(34 m)

3エポック観測日立(32 m)- コンパクトな電波構造を持
ち、高輝度な放射であるかを調べる
JVNの中で観測に使用する局!21

まとめ- Sgr A*の形成過程を解明するために、銀河系内のブラックホールを発見し、性質を調べることが目的- Sgr A*近傍のコンパクトな天体を探査- 5つの電波カタログから選出された84天体に対して観測を行い、結果
16天体検出

- 輝度温度は16天体全てで 7 × 105 K を超え、高輝度な放射であることがわかった- 電波とX線の両方で検出されているのは2天体であり、これらは銀河系内のブラックホールか銀河系外の活動銀河核であると考えられる- 観測した84天体のうち、赤外線で検出されていた20天体は本観測で非検出→ 銀河系内のHⅡ領域の可能性!22