すばる望遠鏡を用いた大規模クェーサー探査による巨大ブラックホール進化の研究Revealing the cosmological evolution of supermassive black holesthrough a wide-field quasar survey with the Subaru Telescope（日本天文学会推薦）代表研究者	 	 愛媛大学	 協同研究者	 	 プリンストン大学

長尾 透Ehime UniversityTohru NAGAO	 マイケル シュトラウスPrinceton UniversityMichael STRAUSS	 鹿児島大学	 

和田 桂一Kagoshima UniversityKeiichi WADA東京大学	 

諸隈 智貴The University of TokyoTomoki MOROKUMAIt has been observationally reported that supermassive black holes (SMBHs) reside at the nucleus of most massivegalaxies, and their typical mass reaches up to a billion times the solar mass. Though the SMBH plays an important rolein the evolution of galaxies, the physics behind the formation and evolution of SMBHs is totally unclear. For tacklingthis problem, we focus on quasars, that are very bright objects powered by the gravitational energy of SMBHs. Previousquasar surveys have found many quasars at various redshifts up to z~6-7, but their relatively shallow sensitivitiesprevented us from detecting less-luminous quasars. Consequently the whole picture of the SMBH evolution during thecosmological timescale is not understood. This problematic situation is now completely resolved by a new wide-fieldcamera, Hyper Suprime Cam (HSC) on the Subaru Telescope. We are now promoting a new quasar survey, based on theHSC legacy imaging campaign that started in March 2014 and will spend 300 nights of the Subaru telescope time. Usingthe initial dataset of the HSC observation for ~10 square degree, we successfully found 48 IR-luminous Dust-ObscuredGalaxies (DOGs) that are dust-obscured quasars with a rapidly evolving SMBH.

研究目的	 (3) 空間スケールの全く違う銀河と巨大ブラック宇宙の基本構成要素である銀河の進化を考えようホールがどのように影響を及ぼし合うのかとしたとき、銀河中心核部に存在する巨大ブラックといった基本的問題でさえ全く理解が得られていなホールが重要な役割を担っていることが近年の観測い。

により分かってきた。すなわち、銀河から中心核にそこで我々は、巨大ブラックホールがガス降着に流入するガスが巨大ブラックホールの質量成長を決より明るく輝いている天体であるクェーサーに注目める一方、その際に形成される降着円盤から莫大なし、以下に挙げる条件を全て満たす新しいクェーサ放射エネルギーが発生して銀河全体での星形成の促ー探査観測を展開することで、これまで不可能だっ進や抑制につながるなど、銀河と巨大ブラックホーた巨大ブラックホールに関する統計的議論を一気にルは互いに影響を及ぼし合いながら進化してきたと進めて当該研究分野にブレイクスルーを起こすこと考えられている。しかし現状では、を目的とする研究を推進した。

(1) 太陽の数億倍もの質量を持つ巨大ブラックホールが宇宙のどの時代から存在するのか(2) 巨大ブラックホールが宇宙 138 億年の歴史の中でどのように進化を遂げてきたのか(a) 極めて数密度の低いクェーサーも発見可能な程度に充分広い探査面積（1000 平方度以上）(b) 130 億光年以遠の遠方天体選出に必要な、可視最長波長（約 1µm）でも低下しない検出器感度(c) 遠方宇宙における暗い天体も検出可能なデータクオリティ（観測感度）への応用	 の 3 点に取り組んだ。	
 	  遠方クェーサーと銀河の空間相互相関関数の調査研究経過	 は、巨大ブラックホールが宇宙のダークマター分布上記の (a) (b) (c) で挙げた条件を全て満たす観測の中のどういった環境で成長を遂げるのかを明らかを遂行するために最も適した観測装置は、すばる望にするために行うものである。クェーサーの周辺部遠鏡の次世代超広視野カメラ Hyper Suprime-Camにどのくらいの数の銀河が群れているかを定量的に（HSC）である。HSC は既存の地上大口径望遠鏡の調査することにより、そのクェーサーが所属するダ中ですばる望遠鏡だけが有する主焦点に取り付けらークマターハローの質量を（目に見えないダークマれることにより、直径 1.5 度という驚異的な視野のターを直接観測しなくても）知ることができるが、広さを実現した撮像カメラである。すばる望遠鏡の遠方銀河は一般に暗いため、クェーサーを複数調べ集光力と合わせることで、クェーサーのような極められるような視野の広さとその周辺の銀河を調べらて数密度の低い天体の高感度探査で圧倒的な威力をれるような感度の高さを両立させることが従来は難発揮することができる点が HSC の最大の特徴であしかった。そこで我々は台湾中央研究院の池田浩之る。

氏（現・国立天文台）と協力して、2 平方度という世界に比類のない装置である HSC から迅速に素比較的広い視野に対して深い可視光多色データが得晴らしい成果を世界に発信するため、日本・プリンられている COSMOS 領域と呼ばれる天域を調べるストン大学・台湾中央研究院からなる国際コラボレことで、赤方偏移 4 程度（約 120 億光年彼方、ビッーションに基づく大規模サーベイ計画が立案され、5グバン後 20 億年足らずの宇宙に相当）に存在するク年間ですばる望遠鏡を 300 晩もの期間に渡って占有ェーサーおよびその周辺部に存在する銀河を探査しして約 1400 平方度（全天の数％）という広大な領域た。赤方偏移が 3.1 から 4.5 にある 25 天体の低光度に対して観測を行う「すばる戦略枠観測（Subaruクェーサーおよび同赤方偏移帯にある 835 天体の銀Strategic Program; SSP）」プログラムが国立天文台か河の空間分布を調べ、相互相関関数を測定することら認められた。この SSP は百数十人が参加する巨大により、赤方偏移 4 の低光度クェーサーが属するダなコンソーシアムであり、観測的宇宙論・銀河進化・ークマターハローの典型的質量が太陽質量の 1012 倍天の川銀河構造・太陽系小天体といった様々な観測程度であることが分かった。これは既に調べられて対象に対してこれまでにない新たなデータをもたらいる赤方偏移 4 程度における高光度クェーサーや、すようにデザインされたものである。このコンソーより低赤方偏移（より現代に近い宇宙）のクェーサシアムの中で本研究の代表研究者である長尾は巨大ーと同程度の値であり、高光度クェーサーと低光度ブラックホール研究のワーキンググループの責任者クェーサーで巨大ブラックホールの活動性発現メカとなり、HSC で得られる広視野可視撮像データに基ニズムが大きくは違わないことを示唆する結果であづく巨大ブラックホール研究の推進を担当した。

る。ただし、COSMOS 領域のデータは赤方偏移 4 のHSC による SSP サーベイは 2014 年 3 月に開始し、クェーサーを多数調べるには領域が狭すぎるため、2019 年 1 月頃のサーベイ完遂に向け今も断続的に観示唆されたダークマターハロー質量には 1 桁以上の測を続けている。本研究では、SSP サーベイで得ら誤差がある状況である。また COSMOS 領域の広される HSC 初期データから巨大ブラックホール進化では赤方偏移 5（約 125 億光年彼方、ビッグバン後に関する情報を得るため、具体的なトピックとして10 億年余りの宇宙に相当）のクェーサーを調べるに・・・既存データを用いた遠方クェーサーと銀河のは探査体積が小さすぎるため、より初期の宇宙にお空間相互相関関数の調査ける巨大ブラックホールの統計的性質に迫ることがHSC データから遠方クェーサーを選出する方できない。COSMOS データと同程度の観測感度で法論の確立と HSC 初期データへの応用1000 平方度以上を探査する SSP サーベイを行うことHSC 初期データと既存の多波長サーベイデーによりクェーサーと銀河の相互相関関数の精度が格タを組み合わせて特別な種類のクェーサーを段に向上し、クェーサーの環境と活動性発現メカニ選出する方法の確立とその HSC 初期データズムの理解が一気に進むはずであるということが、この COSMOS データを用いた研究により明確に示高いものは、巨大ブラックホールが急成長中のクェされた（Ikeda, Nagao, et al., 論文投稿中）。

ーサーがダストに深く覆われた天体に相当すると指	  この COSMOS 領域における研究の注意点として、摘されているため興味が持たれているが、数密度の高赤方偏移の低光度クェーサーを探査する際に従来小ささと可視光での暗さのためにこれまで系統的探の高光度クェーサーに対する探査方法と基本的には査ができていない。そこで我々は、愛媛大学研究員同じ方法を採用していることが挙げられる。実は高の鳥羽儀樹氏と協力し、HSC による SSP サーベイの光度クェーサーと低光度クェーサーでは単に明るさ初期データと WISE データを組み合わせることによだけが違うのではなく、スペクトル中に見られるり可視光で非常に暗く中間赤外線で高光度な天体を様々なイオンの輝線放射の相対強度が顕著に（光度系統的に探査して、48 天体の DOGs を約 10 平方度に応じて）違っていることが知られている。輝線強の領域内で検出することに成功した。これらの天体度が違うと見かけの色が変わるため、高光度クェーの赤方偏移はおよそ 2 程度（約 100 億光年彼方、ビサーと低光度クェーサーで同じ選択基準を採用してッグバン後 30 − 40 億年の宇宙に相当）であると見探査を行うことが妥当かどうかは全く自明ではない。

積もられる。これらの天体の可視光から近赤外線をそこで愛媛大学大学院修士課程の仁井田真奈氏によ含み中間赤外線までのスペクトルエネルギー分布をる修士論文研究として、高光度クェーサーと低光度調査したところ、48 天体のうち少なくとも 31 天体クェーサーのスペクトルデータを使い、クェーサーにはダストに深く覆われたクェーサーが潜んでいる探査効率（特にノイズの効果で探査の完全性が低下ことが示唆された。これらの赤外線光度は太陽光度する効果）を調査するシミュレーションを行った。

の 10 兆倍以上に達し、人類が知る最も高光度の赤外その結果、輝線強度の光度依存性を無視する従来の線源に相当する。こうした特に赤外線光度の高い方法では高赤方偏移の低光度クェーサーを探査するDOGs の天体数密度は約 10-6.6 Mpc-3 であると見積も際に数十％の系統誤差が生じてしまうことが判明しられたが、約 10 平方度という広い天域に対する系統た。この系統誤差は、各種イオンが放射する輝線の的探査により最高赤外線光度を持つ DOGs の数密度強度の光度依存性を正しく補正すれば除去できるたを得たのは本研究が初めてである。こうした天体はめ、HSC を用いた SSP サーベイで大規模に高赤方偏急成長中の巨大ブラックホールを有するクェーサー移の低光度クェーサーを探査する際に採用すべき方に相当するため、SSP サーベイでこうした興味深い法について重要な指針を得ることができた（Niida,天体を数十倍のサンプルサイズで得ることができるNagao, et al., 論文執筆中）。

ことを立証した本研究は当該分野における今後の研	  HSC を用いた SSP サーベイは開始からまだ間がな究の方向性を検討する上でインパクトの大きいものく、かつてない規模の高赤方偏移クェーサー探査をとなった（Toba, Nagao, Strauss, et al., 論文印刷中）。一気に進める段階にはまだ至っていない。この状況	 を踏まえて我々は、約 10 平方度の SSP サーベイ初考察	 期データと既存の多波長サーベイデータを組み合わ系統的なクェーサー探査の歴史はケンブリッジ大せることで、これまで調査が進んでいない特別な種学による 1960 年頃の 3C および 4C サーベイまで遡類のクェーサーを探査することを試みた。具体的にるが、現代天文学におけるクェーサー研究および巨は、NASA による Wide-field Infrared Survey Explorer大ブラックホール研究に最大のインパクトを与えた（WISE）衛星が行った中間赤外線での広域撮像観測探査はプリンストン大学などが 1990 年代から 2000と SSP 初期データを合わせ、ダストに深く覆われて年 代 に か け て 推 進 し た Sloan Digital Sky Surveyいるために可視光だけでは見つけられない（SDSS）である。この SDSS およびその後継の BOSSDust-Obscured Galaxies（DOGs）と呼ばれる種族の天プロジェクトにより数万天体という規模でクェーサ体の探査を試みた。可視光はダスト微粒子に吸収さーが発見され、最遠方のクェーサーの赤方偏移は 6.4れやすい一方で中間赤外線はダスト微粒子の影響をに達する。SDSS および BOSS が大成功を収めた最ほぼ受けないため、ダストに深く覆われた天体は可大の理由は充分広い視野に対して比較的高感度の多視光で非常に暗く、中間赤外線で明るい天体として色撮像観測を遂行した点にあるが、口径 2.5m の望遠認識される。特に DOGs の中でも中間赤外線光度が鏡による撮像観測では感度に限界があり、このために SDSS および BOSS では低光度の高赤方偏移クェ分野の研究者の経験と知識を結集して巨大ブラックーサーや赤方偏移 6.4 を超えるクェーサーを探査すホール進化の研究を進めるために、複数の研究会をることはできなかった。この SDSS と BOSS の限界開催して当該分野の研究者間での継続的な議論が可を越えて先に進むことが当該領域に課せられた課題能になる場面を設けたことは、本研究推進に際してであったが、我々による本研究により、口径 8m 級行った工夫のひとつである。HSC による SSP サーベの地上望遠鏡（すばる望遠鏡）の集光力と HSC の極イの巨大ブラックホール研究ワーキンググループにめて広い視野を組み合わせればクェーサー探査およ参加する日本・プリンストン大学・台湾中央研究院び巨大ブラックホール進化の研究にブレイクスルーの研究者が台北で議論を行うための国際研究会につをもたらすことが充分に可能であることを示すこといては、2014 年 1 月および同年 12 月の 2 回に分けができた。特に SSP データのユニークなサーベイパて行った（いずれも参加者数は約 50 名）。また、日ラメータを活かして、HSC 撮像データと可視光以外本国内で巨大ブラックホールの理論研究を行っていの広視野撮像サーベイデータを組み合わせることでる研究者からモデル構築の面で貢献をいただくため、個数密度の低い特別な種類のクェーサーを探査でき理論班検討会を継続的に行った（2014 年 3 月は理化るという点は興味深い。本研究では WISE が取得し学研究所計算科学研究機構にて、同年 9 月は北海道た中間赤外線サーベイデータと HSC による SSP デ大学にて、また 2015 年 3 月は愛媛大学にて開催し、ータの組合せを調査したが、1.4 GHz 帯（20 cm 帯）参加者数はいずれも 10 − 20 名）。あえて直接顔を合での広視野電波サーベイと HSC による SSP データわせて意見交換を行うことで初めて得られる新たなの組合せにより電波ジェットの活動性を示すクェーアイデアなどが多く、インターネットが発達した現サーの系統的探査も充分に可能だと予想される。本代においてもこうした直接顔を合わせての議論の場研究で得た経験を踏まえ、そうした電波で明るいク面を大切にすることが大規模なプロジェクトを進めェーサーの系統的探査も今後試みていきたい。

る上では本質的に重要であることをここで指摘してHSC による SSP サーベイで見つかる様々な種類のおきたい。

クェーサーはいずれも非常に興味深い研究対象だが、それらは可視光で非常に暗い天体（口径 8m 級の望研究の発表	 遠鏡を用いてようやく撮像観測が可能になる天体）

口頭発表であるため、すばる望遠鏡などの地上大型望遠鏡を1.

T. Nagao: “Subaru Wide-Field AGN Survey withもってしても詳細な物理化学状態や巨大ブラックホHSC”, International Conference “Quasar scienceール質量を計測するための分光観測を行うことは困with HSC”, Taipei, Taiwan, January 2014.

難を極める。これは換言すると、日本も参画する国2.

長尾透: “Synergy between Subaru and large surveys際プロジェクトであり現在ハワイにて建設が進めらin 2020’s: The case for high-z AGN/SMBH”れている次世代超大型望遠鏡 Thirty Meter Telescope(invited), 研究会「2020 年代の銀河サーベイ計画（TMT）に向けた格好のターゲットを HSC によるクとすばる望遠鏡のシナジー」, 国立天文台三鷹,ェーサー探査から供給することができるということ2014 年 1 月.

を意味する。また 2020 年代後半になると我が国が欧3.

長尾透: “Observational studies on super-massive州と協力して検討を進めている次世代赤外線宇宙望black holes: Recent hot topics and the next steps”遠鏡 SPICA が実現していると期待されるが、本研究(invited), 初代星・初代銀河研究会, 鹿児島大学,で発見した DOGs のように深くダストに覆われて可2014 年 1 月.

視光では情報がほとんど得られないような天体の詳4.

池田浩之, 長尾透, et al.: “Statistical properties of細分光観測は SPICA が担当することになる。こうしlow-luminosity quasars in the early Universe”,た大型将来計画のサイエンス戦略を現段階から立案SWANS 理論班検討会, 理化学研究所計算科学していくために HSC によるクェーサー探査が大い研究機構, 2014 年 3 月.に貢献できるということについても、本研究で示すことができたと考えている。
なお、このような本研究を進めるにあたり、当該5.

尾上匡房, 柏川伸成,田中賢幸, 新納 悠, 長尾透,et al.:「SED fitting を用いた高赤方偏移クェーサーの検出」, 日本天文学会 2014 年春期年会, 国6.

7.

際基督教大学, 2014 年 3 月.

of SMBHs with HSC: First results from initial仁井田真奈, 長尾透, et al.:「高赤方偏移クェーサdataset”, Taipei, Taiwan, December 2014.

ー光度関数の正確な測定に向けた BOSS クェー15. 長 尾 透 : “Low-metallicity active galactic nuclei:サースペクトルの光度依存性の調査」, 日本天文Challenges toward identifying young SMBHs”学会 2014 年秋期年会, 山形大学, 2014 年 9 月.

(invited), 初代星・初代銀河研究会, 東北大学,池田浩之, 長尾透, et al.:「AGN と銀河の相互相2015 年 1 月.

関関数の研究」, SWANS 理論班検討会, 北海道
8.

9.

16. Y. Toba, T. Nagao, M. A. Strauss, et al.:大学, 2014 年 9 月.

“Photometric properties of IR-bright dust-obscured長 尾 透 : “Subaru Wide-Field AGN Survey withgalaxies discovered by the Hyper Suprime-Cam onHyper Suprime Cam” (invited), 超巨大ブラックホSubaruール研究推進連絡会第 2 回ワークショップ, 筑“Unveiling the AGN/galaxy evolution connection”,波大学, 2014 年 11 月.

Puerto Varas, Chile, March 2015.

andWISE”,InternationalConference鳥羽儀樹, 長尾透, et al.:「中間赤外線と可視光線17. 長 尾 透 : “Subaru Wide-Field AGN Survey withを併用した AGN/銀河研究」, 超巨大ブラックホHSC”, 日本天文学会 2015 年春期年会, 大阪大学,ール研究推進連絡会第 2 回ワークショップ, 筑2015 年 3 月.

波大学, 2014 年 11 月.

18. 鳥羽儀樹, 長尾透, et al.:「HSC 初期データと10. T. Nagao: “Observational studies of the quasarevolution”(invited),InternationalWISE を併用した Dust Obscured Galaxies 探査」,Conference日本天文学会 2015 年春期年会, 大阪大学, 2015“China-Subaru workshop 2014”, Shanghai, China,November 2014.

年 3 月.
19. 尾上匡房, 柏川伸成, 松岡良樹, 田中賢幸, 新納11. T. Nagao: “HSC-SSP and the AGN WG activities”,悠, 長尾透, et al.:「HSC サーベイを用いた高赤方International Conference “Evolution of SMBHs with偏移クェーサー探査」, 日本天文学会 2015 年春HSC: First results from initial dataset”, Taipei,期年会, 大阪大学, 2015 年 3 月.

Taiwan, December 2014.

20. 仁井田真奈, 長尾透, et al.:「高赤方偏移の低光度12. H. Ikeda, T. Nagao, et al.: “Quasar-LBG two-pointクェーサー探査におけるコンプリートネスと光angular cross-correlation function at z~4 in the度関数の再評価」, SWANS 理論班検討会, 愛媛

COSMOS大学, 2015 年 3 月.

field”,InternationalConference“Evolution of SMBHs with HSC: First results frominitial dataset”, Taipei, Taiwan, December 2014.
13. Y. Toba, T. Nagao, et al.: “Photometric properties of誌上発表1.

Y. Toba, T. Nagao, M. A. Strauss, et al.:IR-bright dust-obscured galaxies”, International“Hyper-luminous dust obscured galaxies discoveredConference “Evolution of SMBHs with HSC: Firstby the Hyper Suprime-Cam on Subaru and WISE”,results fromPublication of the Astronomical Society of Japan, ininitial dataset”, Taipei, Taiwan,December 2014.
14. M. Niida, T. Nagao, et al.: “Completeness estimatespress.
2.

H. Ikeda, T. Nagao, et al.: “Quasar-LBG two-pointfor high-z low-luminosity quasar surveys, andangular cross-correlation function at z~4 in theimplications for the quasar luminosity function at

COSMOShigh redshifts”, International Conference “Evolutionsubmitted.

field”,TheAstrophysicalJournal,