メタノールメーザーにおける電波と光の共同観測
キーワード＊ ⼤質量星形成＊ メタノールメーザー＊ 強度変動（周期的、突発）⽶倉覚則（茨城⼤学）
yoshinori.yonekura.sci@vc.ibaraki.ac.jp
主な共同研究者
杉⼭孝⼀郎（NARIT[タイ]）[⾔だしっぺ]
内⼭瑞穂（JAXA/ISAS）[opt/IR]
元⽊業⼈、藤澤健太（⼭⼝⼤学）
廣⽥朋也（NAOJ/⽔沢）
Ross Burns（NAOJ/KASI）[VLBI]
M2O 関係者 [masermonitoring.com]

メーザーの特徴• 強い（H2Oメーザー[> 百万Jy]、6.7 GHz CH3OHメーザー[7000 Jy]）
• コンパクトな領域から放射されている• 線幅細いè ⾼い空間分解能を達成できるVLBI 観測が可能！
=> 運動をトレースできる• 強度変動（強いから捉えやすい）• 偏波情報• 励起に必要な環境を推定可能
x 観測量（強度など）から物理量の導出が困難

主なメーザーと励起機構• H2O• CH3OH (class I)• CH3OH (class II)
• SiO
• OH
• H2CO• NH3AGB,YSO
YSO
high-mass YSO
AGB, (YSO)
AGB, YSO

shockshock
radiation
shock
radiationメタノールメーザーの分類

晩期型星（AGB, OH/IR star and ExtremeOH/IR star）におけるメーザー

SiO
a few au

H2O
a few×10 auOH
a few×1000au

Hofner & Olofsson(2018)

中川さん（⿅児島⼤学）提供

Young Stellar Objects
におけるメーザー

CH3OH (class II)
円盤

CH3OH (class II)
outflow cavity が中⼼星からの輻射で光ることもSiO: accr.disk と jet/outflow の衝突⾯
OH: UCHII との境界⾯ (torus/ring 形状)
H2O: アウトフロー、accretion disk
CH3OH (class I)
アウトフローと周辺のガスとの衝突⾯
CH3OH (class I): low-massも5例程度あり
H2O: low-mass も多数あり
SiO: rare (７例のみ)

Sanna+10, AA517,A78 を元に改変

大質量星形成における各メーザーの出現時期

統⼀的な⾒解は得られていない

Ellingsen+07 IAU Symp 242

Reid 07 IAU Symp 242

6.7 GHz メタノールメーザー• 1991 年に初検出（Menten91）• H2O メーザーに次いで強い（最も強いものは 〜7000 Jy）• 南天• 〜1000天体で検出。
強度変動するもの（かつ静穏• 南天 [186 < 銀経(度) < 60] は無バイアスサーベイ済み
期強度が⾮常に弱いもの）は⾒落としあるかも@ Parkes 64-m + Multibeam （Green+09 など）• 北天• 北天は、バイアス観測のみ
無バイアスサーベイ未実施：
暗いものや、強度変動するもIRAS などの⾚外線点源、分⼦コア、他のメーザーなどのは、⾒落としあるかも=> compiled by Pestalozzi+ (2005)• ⼤質量星の形成過程のみに付随（e.g., Minier+03）=> ⼤質量星形成の指標• 円盤起源・アウトフロー起源（multi-epoch VLBI [動画撮像]で確認）• ⾚外線励起（cf. H2O は衝突励起）• 励起条件（Gragg+05）
n(H)〜10^(4̶9) 個cm-3, T_dust 〜 120̶300 K

2005年時点で検出されていた
6.7GHzメタノールメーザー源の分布(2005年時点で) 519天体がカタログ化 (Pestalozzi+ 05)

6.7 GHz CH3OH メーザー：強度変動（衝突励起ではなく）⾚外線励起なので、⽐較的安定と思われていたが............
• 周期的な変動（連続的な変動）（20天体くらい）• 周期的な変動（間⽋的な変動）（数天体）• 突発的な変動（2天体）などがモニター観測により検出された（茨城の観測結果を含まない数）周期的な変動の例
G9.62

突発的な変動の例
S255IR-NIRS3

Fujisawa+15

200 ⽇
10000

Flux Density [Jy]Flux density [Jy]

1000

100

101

強度1,000 倍！
0.1

56600

56800

57000

57200

57400

MJD [day]＊⽇⽴32-mで取得されたモニターデータ

57600

6.7 GHz CH3OH メーザー：強度変動機構• 種光⼦ => 増幅
種光⼦：[HC/UC]HII領域の制動放射（⾃由ー⾃由放射）
シンクロトロン放射やCMBでも ok• メーザー強度変動の原因：（１）種光⼦強度の変動（２）増幅場所の増幅効率の変動（反転分布の度合い、メーザー増幅に適した領域の変動）• 周期変動のモデル
pulsation
CWB (colliding wind binary)spiral shock...
• 突発変動のモデル
accretion burst（過去に２例のみ）

周期変動の変動機構： 様々なシナリオ(e.g., Goedhart+ 08)• Stellar pulsational instability (Inayoshi+ 13)• ZAMS直前の原始星半径膨張期に生じ得る不安定期• 脈動変動による周囲のダスト温度変動• Colliding wind binary (van der Walt 11)• 連星近接点における恒星⾵同⼠の衝突• それによる、種光⼦としての free-free放射の周期的な強度変動• 周囲に HII領域が卓越している進化後期のみで成⽴• Circumbinary spiral shock (Parfenov & Sobolev 14)• circumbinary disk を形成している進化初期で成⽴• 周期的に形成される spiral shock wave による、円盤inner gapとメーザー放射領域間を暖め、メーザー放射に適当な励起環境のガス柱密度を、視線⽅向に増加させる杉⼭さん（タイ／NARIT）提供

突発変動（accretion burst）の変動機構
時々かたまりが（中⼼星、ディスクに）落ちる => 中⼼星の光度が１ケタ以上上昇

One order ofmagnitude(e.g., Meyer+ 17, 18)

6.7 GHz メタノールメーザー強度変動• 中⼼星の変光が、メーザー強度変動の主要因であるもの• 脈動• 中⼼星変光 (accretion burst)• 中⼼星の変光を捉える事が、メーザー強度変動機構の解明に、必要不可⽋である*1:新たなモデルが必要。
*2:複数の⼤質量星の形成を考える必要がある。
*3:特殊な幾何学的配置を考える必要がある。
*4:磁気リコネクションでエネルギーが⾜らない場合
は、放射サイズ変化を考慮する必要あり。

茨城32m電波望遠鏡の紹介• （〜2007）衛星通信アンテナ• （2009〜）32-m アンテナ２台を電波望遠鏡に改造（Yonekura+16）• 主⽤途：VLBI @ 6.7 (メタノールメーザー), 8, 22 (H2Oメーザー) GHz（年間 200ー500 時間）
⾼萩• 空き時間 (≥ 5,000 時間 x ２台）
è ⼤規模な
6.7 GHzメタノールメーザー単⼀鏡モニター観測を実施する事にした

⽇⽴17

茨城大学（日立32m電波望遠鏡）による
6.7 GHz メタノールメーザーのモニター観測• (1)〜450天体を〜10⽇に1回観測（2012年−2015年）（観測は毎⽇実施）• (2)変動の兆候が⾒られる〜150天体について、〜５⽇に１回観測（2015年−2017年） （観測は毎⽇実施）• (3) 上記(1)(2)のハイブリッド（2017年−現在）
主な成果• 既知の〜20天体以外に、新たに20-30天体において周期的な強度変動を検出（K.Sugiyama+ in prep.）• ３例⽬の accretion burst 候補を検出=> 世界中でフォローアップ観測（現時点で 7 編の査読付き論⽂が公表）=> SOFIA による FIR フォローアップ観測により accetion burst と確定周期的な強度変動を示す天体の観測例

Flux density [Jy]

新検出（連続的）LSR Velocity [km s-1]

周期 = 55 day周期的な強度変動を示す天体の観測例
周期 = 55 day

Flux density [Jy]

新検出（連続的）

2013

2014

2015

2016

LSR Velocity [km s-1]

2017

2018

2019

2020

周期的な強度変動を示す天体の観測例
新検出（間⽋的）Sugiyama+17, PASJ,69, 59

周期 = 24 day

突発的な強度変動を（繰り返し）⽰す天体
33.64-02: for 3rd season from Sep. 18, 2015 (MJD 57283)
450
400

3-sigma
59.62

100dayFlux Density [Jy]

350
300
250
200
150
100
50057300

57400

57500
57600
MJD [day]

57700

57800
22

突発的（accretion burst）強度変動天体
G358.931-0.030 / 増光前の light curve
358.9-00
93-sigma-21.23-19.84-18.64-18.24-17.25-15.90-14.938

Flux Density [Jy]

76
5
4
3
2
1056500

57000

57500
MJD [day]58000

突発的（accretion burst）強度変動天体
G358.931-0.030 / 増光時の light curve突発的（accretion burst）強度変動天体
G358.931-0.030 の スペクトル動画
20YY/doy

観測頻度
2013-2015 は 10 ⽇に 1 回
2015-2017 は 観測なし
2017-2018 は 50⽇に 1 回
2019-2020 は 毎⽇

突発的（accretion burst）強度変動天体
G358.931-0.030 の light curve

8400
4300
04
6500
27

2019/1/17

4/27

8/5
26

G358.931-0.030 増光検出後のフォローアップ観測• 2019/Jan./14, 01:14 UT 観測実施=> Jan./15, 14:23 UT 増光検出
• Jan./18 02:35 UT “M2O-ML” に情報展開• Jan./29 ATel #12446 (Sugiyama+19)• Jan./30 朝 光・⾚外線天⽂学⼤学間連携に打診• Feb./03 SMA に打診 => Feb./06 Filler 観測=> 多数のメタノールメーザー遷移が新検出(199-230 GHz)。
(SMA Newsletter Jan-2020 参照)• フォローアップ（ラインサーベイ）が加速。
• SOFIA で増光が確認された事により（３例⽬の）accretion burst であると確定

M2O Maser Moniroting Organization• 2017年9⽉発⾜• 主に世界中の（主にcm波で）maser 観測を⾏っている電波望遠鏡関係者が、24時間連続モニター、相互 follow-up などを⽬指して集結• 69 members (2020/Aug)https://www.masermonitoring.com

multi-epoch imaging: LBA Observations
熱波 (heat-wave) が外に伝搬する様⼦をとらえた2019年2⽉2⽇および2⽉28⽇に LBA+南ア で⾏われた
VLBI 観測結果 (Burns+20)。

円盤の温度変化とメーザー放射場所のモデル (Burns+20)。

VLA observations
spiral-arm accretion flow を trace

Xi Chen+20

突発的変動の検出例
2020/2/10検出

2020/2/28検出

2020/7/13検出

OISTER との共同観測：周期変動天体• ⿅児島 1-m 望遠鏡を⽤いた強度変動の観測（PI: 内⼭さん）• 茨城におけるメタノールメーザーモニター観測開始直後 (2013年) にターゲット選定を⾏った
p観測時期の関係で L が⼤きいところ (180-230 くらい）から選んだ
p周期が⽐較的⻑いものを選んでしまった（天体選定にやや難あり？）• ２天体
Ø Mon R2 (213.70-12.59)
Ø S269 (196.45-1.68)

S269 (G 196.45-1.68)
668⽇• 668 ⽇周期
(Goedhart+04)=>• 142 ⽇周期, 67 ⽇周期

39999.5 を<= ⾜せば MJD(茨城モニター観測）
67⽇

142⽇

668⽇

Mon R2（G 213.70-12.59）

OISTER との共同観測：周期変動天体• ⿅児島 1-m 望遠鏡を⽤いた強度変動の観測（PI: 内⼭さん）• 茨城におけるメタノールメーザーモニター観測開始直後 (2013年) にターゲット選定を⾏った
p観測時期の関係で L が⼤きいところ (180-230 くらい）から選んだ
p周期が⽐較的⻑いものを選んでしまった（天体選定にやや難あり？）• ２天体
Ø Mon R2 (213.70-12.59)
Ø S269 (196.45-1.68)• その後、広島かなた望遠鏡でも観測=> 詳細は内⼭さんの講演を参照• 今なら、より良い観測ターゲットを選出可能
Ø 周期の短いもの
Ø 強度変動の激しいもの
Ø メーザーの全速度成分が強度変動を⽰すもの

OISTER との共同観測：突発現象
突発現象 follow-up 観測
成功事例：G358
メーザー観測にて突発現象を検出 => M2O に alert を出す =>• Subaru ToO（PI 内⼭さん）• M2O に参加している内⼭さんからのツテで個別に観測依頼（広島など）=> 今後どう進めるべきか？
（OISTER 全体に alert を出す or 現状のやり⽅で進める or ...）
突発現象 opt/NIR モニター観測• 電波（メーザー）よりも光⾚外の⽅が先⾏して変動するはず=> opt/NIR で多天体の継続的なモニター観測ができれば最⾼！
[問題点]• （⼤質量原始星は埋もれているので）opt ：ほとんど⾒えない。NIR ：かなり暗い。
• 結構混んでいるところ（銀河⾯）（コンタミ⼤）、遠い天体（暗い）が多い。
• ７年近く変動がみられない天体が増光した => ターゲットを絞り込めない=> 450 天体全てをモニターしないとダメまとめにかえてメタノールメーザーだけでなく連続波観測（@ 6 GHz or 8 GHz, 検
出感度〜1 mJy）もできます（星形成に限らず）こんな観測してみたい！ という相談をお待ちしています