第14回光・赤外線天文学大学間連携（OISTER）ワークショップ@東京工業大学, 3/7 ‒ 3/9, 口頭講演 (15分)

周期光度変動を示した極光度
クェーサーのフォローアップ観測
東京大学 天文学教育研究センター
堀内 貴史

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クェーサーの光度変動• クェーサー: 宇宙最大規模の明るさをもつ,活動銀河中心核(AGN)の一種. 通常のセイファート銀河より1-2桁明るい.

Credit:NASA, ESA and J. Olmsted (STScI)AGNの光度曲線の例• 変動は一般にはランダム. 光度変動をdamped random walkでモデル化する試みもある (Kelly+09).
• しかし,クェーサーの周期的に見える変動(QPO)が2015年に同定された.

Kozłowski (2017)

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AGNに見られる周期的な光度変動• PG 1302-102: Graham+15によって正弦関数で表せるような周期的な光度変動(5.2年周期)が同定されたクェーサー• 以降は複数のAGNで周期光度変動が同定されている (偽検出も多々あり)• 近年はブラックホールバイナリの合体直前の候補天体が注目されている (Jiang+22).
PG 1302-102の光度曲線
Graham+15

Jiang+22

SDSS J1430+2303(セイファート1型)の光度曲線

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極高光度クェーサーWISE J0909+0002のモニター観測• WISE J0909+0002• 非常に明るいクェーサー (z =1.87, V=16.5 mag)
• 赤外線で非常に明るい天体 (ELIRG; LIR >1014L☉)
としても同定されている (Toba+2021).
• LIR = 1.79 1014L☉• ブラックホール質量: 109.9M☉

クェーサーの赤方偏移-光度の関係
WISE J0909

SDSS quasar

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研究の目的
• WISE J0909+0002は共進化のピーク段階• 測光モニター観測によって銀河進化の過程における衝突と大質量ブラックホールバイナリーの関連性やその他物理過程に示唆を与えたい.
• 周期光度曲線のいくつかのシナリオ• BSBHの相対論的ドップラーブースト(e.g. DʼOrazio 2015)• 降着円盤の歳差運動• 視線上での連星の軌道運動• Circumbinary accretion variability(e.g. Duﬀell+2019)

Hopkins+08★降着円盤の歳差運動: opticalとNUVの放射領域のサイズが同等で歳差運動が困難 (Zhang 2022)★連星の軌道運動: 光度曲線を再現できないほど周期が長い (Millon+2022)

WISE J0909+0002の光度曲線• アーカイブ: CRTS, PanSTARRS,ZTF, WISE
• CRTSとPanSTARRS g’, i, yの光度曲線に正弦関数でフィッティング• CRTSの光度曲線は5.1年周期(静止系で1.8年)で振動

Peak674 days

振幅
CRTS V : 0.065 mag
PanSTARRS gʻ: 0.09 mag
i: 0.08 mag, y: 0.05 mag

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相対論的ドップラーブーストについて

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・相対論的ドップラーブースト
BSBHs (mini-disks)同士が相対論的速度で運動. Doppler factor, Dの効果の分, 観測されるフラックス等に影響.
・mini-diskが観測者に近づく(遠ざかる)ほど明るく(暗く)なる.
Duﬀell+2020

Doppler factor

観測フラックス
観測から37%のクェーサー(FUV)がドップラーブーストとconsistent (Charisi+2018)

相対論的ドップラーブーストの検証1• BSBHの運動にドップラーブーストを仮定すると,光度曲線の振幅A (=ΔFν/Fν)は以下の形に従う

WISE J0909のスペクトルg, V, i, yの波長域でそれぞれベキを測定

αν, φ, i はそれぞれフラックス(power law)のべき,軌道運動のフェーズ, 軌道傾斜角.
• 異なる波長間の振幅比はフラックスのべきανを用いるとCharisi+2018

短波長側長波長側となる. 本研究では理論線(黒)に乗るデータは全体の~30%.

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本研究

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相対論的ドップラーブーストの検証2J0252
i band• 軌道傾斜角iとブラックホール質量MBHの関係をbinary BHの質量比q=(M2/M1)毎にプロット (i =90 : edge on)• Liao+2021 (天体: SDSS J0252)ではparameter spaceが殆どなくドップラーブースト説は可能性が低い.
• 一方, q = 0.11, 0.43等でWISE J0909ではi >10 にパラメータスペースをもつ.
• CRTS V, PanSTARRS gʼ, i, y bandは同様の傾向.
実線: secondary diskのluminosity contribution = 80%

Liao+2021

z bandq=0.0, q=0.05,q=0.1, q=0.2

本研究

q=0.0
q=0.11q=0.43
q=1.0
WISE J0909

MBH=109.9M ☉その他BHバイナリ説へのアプローチ

11/13• 多くのクェーサーサンプルは典型的には1.5周期分の光度曲線しか得られていない.
==> 偽検出は常に起こりうる (Vaughan+16)

Guo+20• BHバイナリによる光度変動はもっとレアなのでは?
• Circumbinary disk model (CBD; Roedig+14)によればAGNフラックスの紫外域においてdiskの構造に由来するcut-oﬀが見られる==> 周期変動クェーサー138天体中7天体で確認(Guo+20).
Duﬀell+2020

cut-oﬀ温度

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CBDモデルの検証• WISE J0909+0002の紫外-近赤外SED(黒)に対して, CBDモデル(シアン)を検証

Farris+2014• 質量比q = 0.11, 0.43で検証• SEDがCBDモデルと合っていない• SEDからはCBDモデル特有の凹み(青縦線付近)がみられない• 長波長側は全く合っていない• ただしCBDではNUV, FUVのdropoﬀもまた予想される (ex. Mrk 231のSED, Yan+2015)

Binary disk質量比qの値によってはpowerがdoublepeakに (q = 0.11, 0.43)
q =0.43q =0.11
CBDモデルWISE J0909のSED

SDSS スペクトルまとめ13/13• AGNの光度変動は一般的にはランダムだが, クェーサーPG 1302-102の光度曲線に周期性が同定されて以降に複数天体でも同定されてきた.
• ターゲット天体のWISE J0909+0002はクェーサーを内包するELIRGかつ, 光度曲線周期性が継続している可能性のある非常に稀有な天体• WISE J0909+0002の観測は銀河進化の過程における衝突と大質量ブラックホー
ルバイナリーの関連性に示唆を与えられる可能性を秘めている.
• むりかぶし望遠鏡の観測を2021年2月から開始. 光・赤外大学間連携観測による明野・岡山50 cm望遠鏡で得られたデータを追加しても周期性の保持を示唆.
• 現段階ではBinary Blackhole説を強く否定する結果は得られていない.
Doppler boost △ (inclinationは○), CBD△ 今後さらに検証.

スペクトルで探るBHバイナリー候補天体
CBD•

Primary

Secondary

Roedig+14

スペクトルで探るBHバイナリー候補天体• CBDモデル(シアン)に沿った傾向を確認(Guo+20).
Guo+20• 周期光度変動を示したPSO
J334.2028+01.4075のエネルギー分布にCBDのnotchの可能性を確認 (Foord+2017).
※データ点のエラーが大きいことに注意.
Foord+17• BHバイナリーかどうかは光度曲線だけでなくスペクトル, SEDも調べることが重要.
PSO J334.2028+01.4075のスペクトルエネルギー分布

周期変動クェーサーサーベイ• アーカイブデータを駆使して周期光度変動を示す,• 111個のクェーサーを同定 (Graham+15)• 50個のクェーサーを同定 (Charisi+16)

ブラックホール質量が大きいほど若干周期が短い傾向
Graham+15

Graham+15

Charisi+16

多色測光データを用いた研究©The Dark Energy Survey• Dark energy surveyのアーカイブデータ(girz)を用いて, サンプル625天体中4天体で周期光度変動を同定 (Chen+20)• サンプルは特段明るい, BH massが重いわけではない.
• 変動の物理機構を考察• 相対論的ドップラーブースト? (後ほど)Chen+20

レンズクェーサーで発生した周期光度変動• レンズクェーサーに周期光度変動が確認された• A, Bのフラックスの比をとることで周期性が明らかに
Q J0158­4325
必要な周期が長すぎる… 4 105 日

一見像A, Bそれぞれがバラバラに変動 ?

Millon+22

フラックス比は171.2日周期

視線上の連星運動シナリオ
Intrinsicな変動はフラックスの比でキャンセルされるはず… なのに周期的変動

なぜ(正弦波的)周期光度変動が重要か?
• 周期光度変動の要因の有力説: 大質量ブラックホールバイナリーの軌道運動• 重力波源になりうる• 非常に珍しい• 0.01 ~ 0.1%のクェーサーのみ周期性を確認• 文献によっては0.8-1.1% (Chen+20)• 銀河合体の物理に新たな知見を与えられる可能性

NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Noble;
simulation data, d'Ascoli et al. 2018

重力波源の合体時間タイムスケール(Peters 1964)

PG1302-102で確認された周期曲線の乱れ• CRTS+ASSA-SN (The All-Sky
Automated Survey for Supernovae)のデータ• 追観測で周期性が崩れることも==> 偶然周期関数でフィットできただけ ?

• 降着円盤にcold spot (Kasliwal 2017)が発生?

オレンジ: 観測
青: モデル

Kovačević+19質量比, 周期, パワーの関係• Farris+2014のシミュレーション結果ではq=0.11, 0.43に2つの特徴的なピーク

Farris+2014

ただし, q < 0.3が宇宙論的銀河合体モデル(Volonteri+03)とconsistent.