多波長にわたる大望遠鏡群を駆使した巨大ブラックホールが宇宙の歴史に果たした役割の解明
Cosmic Roles of Supermassive Black Holes
Revealed with Multi-Waveband Large Telescopes（日本天文学会推薦）

Onomichi City University

Toshihiro KAWAGUCHI尾崎 忍夫

National Astronomical Observatory of Japan

Shinobu OZAKI

信州大学

三澤 透

Shinshu University

Toru MISAWA

東京大学

河野 考太郎 The University of Tokyo

代表研究者

尾道市立大学 川口 俊宏

協同研究者

国立天文台

Kotaro KOHNO

We are carrying out the integral-field-unit observations on active galactic nuclei that show signatures of largevelocity gas outflow, using the latest adaptive-optics assistance on the largest 8-10m class optical telescopes (Subaru andVery Large Telescope). Although the nucleus has been supposed to be the major emission source in the central region ofan active galaxy, we found, through the data analysis, that the nucleus is not a point source, rather there are a couple ofdiscrete emission line regions around the central supermassive black hole. Also, we measure and set an upper-limit on thesize of the outflowing region, finding that the past report (obtained by a conventional slit spectroscopy with a much worse
spatial resolution) suggesting the extended outflowing region is unlikely. Laser tomography adaptive optics is found to bevery powerful, though we need much care to handle the data.

研究目的
2019 年、ついに直接撮像され話題を呼んだ M87 銀る仮説でしかなかったのか？」という問いに答えることである。

河中心のような巨大ブラックホールが、ほとんど全

我々はこれまで、高速ガス流が銀河スケールまでての銀河の中心にも存在することがわかってきた。

噴き出す条件を明らかにし、高速ガス噴出が銀河ス

ところが、138 億年という宇宙の歴史の中で、巨大ブケールの大きさで発生している活動銀河核の中で最ラックホールがいかに誕生し、銀河と共にどのようも近傍に居る天体群について、世界最大級の望遠鏡に成長し、どのような役割を担ってきたか、いまだ群を用いて噴出流を計測してきた。

解明されていない。

本研究では、ガス流が星形成を抑制するのに十分現在もっとも有力なシナリオは、ブラックホールなのか定量的に明らかにすることで、「活動銀河核にへ大量のガスが落ち込み急成長する際に、強力な輻よる母銀河星形成抑制」仮説を現在世界最高の空間射と共にガス噴出流が発生し、銀河内の星形成活動分解能で検証することを試みた。と銀河中心へのさらなるガス流入を抑制・制御する過程である。
しかし実は、十分な空間分解能でガス動力学を計測した観測例は実在しない。

研究経過
近年、我々が住む天の川銀河を含め全ての銀河が、それぞれの中心に太陽の十万倍から何十億倍もの質

本研究の目的は、「銀河中心からのガス噴出による量を持つ巨大ブラックホールを宿すことがわかって母銀河での星形成活動を制御する効果は実在するのきた。ありふれた天体であるにもかかわらず、138 億か？

年の宇宙の歴史の中で、巨大ブラックホールがいかもしくは、広く流布されているものの、単なに誕生し、銀河とどのような相互作用をしながら成であり、眼科医療や生体分子の研究などにも応用さ長し、どのような役割を担ってきたか、いまだ解明れている。

されていない。

これまで、世界最大の口径(直径 8-10m 鏡)を持つ

現在もっとも有力なシナリオは、ブラックホール

可視光望遠鏡の中で、大気揺らぎによる像のぼやけへ落ち込む大量のガスが放つ輻射によるガス噴出流を逐次補正する補償光学性能と面分光を可視光の波が銀河内の星形成活動を制御する過程である(フィ長帯で行う機能の両者をあわせ持つのは、日本が保ードバック現象)。実際、酸素・炭素イオンや一酸化有するすばる望遠鏡が世界初、かつ長年にわたり唯炭素分子の輝線、可視光から X 線にわたる吸収線な一であった。我々は、装置の特性に精通した面分光ど、ガス噴出現象が多くの波長帯で観測されている。

装置開発者と協同して観測を行い、科学成果を挙げ

しかし実は、十分な空間分解能でのガス噴出量のてきた (Kawaguchi et al. 2018; 1)。具体的には、補償観測的測定は行われておらず、理論的にもフィード光学機能で角度分解能を向上させたすばる望遠鏡のバック現象を肯定・否定する研究がどちらも発表さ可視光面分光装置(京都 3 次元分光器 2 号機)を用いれており混沌としている。つまり、銀河中心からのて、銀河スケールの大きさで高速ガス噴出が起きてガス噴出が、母銀河の星形成活動を抑制するだけ十いる銀河中心部について観測を行い、「母銀河星形成分パワフルなのか、宇宙の歴史にブラックホールは抑制」仮説の検証を行った。当時の最高角度分解能どの程度影響を及ぼしたのかは依然として不明であをもってしても十分に構造を明らかにすることはでる。

きなかったものの、約 900km/s の青方偏移速度を持

そこで本課題は、世界最高性能の装置群を活用し、ブラックホール噴出流が銀河進化史へどれだけ影響つ高い密度(>3000/cc)の噴出ガスの発見などの初期成果を査読論文として発表した (Figure 1; 1)。

を与えうるのか定量的に明らかにすることを目指し

その後 2019 年から、欧州南天文台の Very Largeた。多くの銀河形成・進化モデルで用いられているTelescope (VLT)がレーザートモグラフィー補償光学「銀河中心ブラックホールによる星形成制御」仮説を活用した新世代の面分光器 MUSE Narrow-Field-の初めての観測的検証、又は、仮説の見直しをせま

Mode での共用観測を開始し、0.1 秒角を切る超高角る事が期待される成果である。

度分解能を可能にした。そこで我々は、すばる望遠

本研究では主に、撮像と分光を同時に行う面分光鏡の成果を基に国際共同チームを構築し、第 1 期公という観測技術を突破口に用いている。電波・X 線

募 期 に 観 測 提 案 を 行 い (Principal Investigator: T.

波長帯と同様に、可視光赤外線分野においても近年

Kawaguchi) 、 観 測 デ ー タ を 得 る こ と に 成 功 し た

ついに可能になった。また、補償光学とは、大気の(Figure 2) 。 レ ー ザ ー ト モ グ ラ フ ィ ー 補 償 光 学

揺らぎによる天体画像のぼやけを逐次補正すること(GALACSI)により約 0.1—0.2 秒角の解像度(半値幅)でハッブル宇宙望遠鏡に勝る角度分解能を得る技術

で得られているデータを用いて、ブラックホール噴出流が銀河での星形成(銀河進化)へどれだけ影響を与えるのかを定量的に明らかにするべく解析を進めた。
また、我々がすばる望遠鏡と VLT を用いて面分光観測した天体について、視線上の噴出流の速度とガス柱密度をすばる望遠鏡の高分散分光装置 HDS を用いた吸収線の観測により明らかにする観測提案も行い、観測計画が採択された。天候状況が整い次第観測される事が決まっている状況が続いたが、2022
年 1 月についに観測され、現在急ぎデータ解析に取Figure 1: Map of emission lines ([N II], [SII] etc) around an active galactic nucleus
with galactic-scale outflow.

り組み始めている。
面分光観測の輝線を用いた研究では、中心核が明る過ぎる為に巨大ブラックホールのごく近傍を調べるのが困難である弱点があるが、吸収線による観測た。補償光学機能が有効に働いた結果、この PSF の波長依存性が特に VLT のデータで想定以上に大きい事がわかった。すばる望遠鏡のデータにも、同様の傾向が観えることもわかった。
この波長依存性は、中心から離れた位置のスペクトルから中心光をスケールして差引く伝統的な解析手法や、多ピクセルを空間 bin して異なる位置のスペクトルを比較する際に、誤った期線比を得るなどの誤分析を避ける為に慎重な取り扱いが必要な事をFigure 2: Data cube obtained by our IntegralField-Unit observation with MUSE.

意味する。
V. 1.5 秒角のシーイング時のスリット観測をもとに、酸素イオン[O III]放射領域が Hβ よりも拡がっている可能性が示唆されていたが(1990 年)、我々のは逆に中心部を調べることができるため、相補的な探求手段である。
すばる望遠鏡と VLT の、補償光学と可視光面分光の両機能を用いて得た観測データの解析からは、以下のような進展が得られた。
I. 波長ごとの画像を繋げて動画表示することで、母銀河の形状と速度構造、および補償光学付面分光データの威力の大きさが明瞭に確認できた。
II. 両望遠鏡で得たスペクトルデータについて、過去の活動銀河核分光観測に関する諸文献の輝線同定

MUSE データでは酸素イオン[O III]放射領域の位置と拡がりに Hβ 輝線と有意な差は見られなかった。
この結果、高速ガス噴出領域の大きさと中心からのオフセットが PSF の大きさ(FWHM = 0.21 秒角～約 230pc)より十分小さい事がわかった。銀河中心ブラックホールから約 120pc 離れた位置に約 290pc拡がった高速(約 860km/s)ガス噴出を示す IRAS04576(1)に比べて、さらにコンパクトなガス噴出領域であることを意味すると考えられる。
VI. 補償光学を用いて約 0.25 秒角の角度分解能でを集約し、鉄イオン Fe II 遷移群やカルシウムイオン得た我々のすばる望遠鏡/可視光面分光観測で観え

Ca II, 酸素原子 O I 輝線等の合計約 100 本の遷移にていた輝線の放射が点源(中心核)よりも拡がっていついて同定を行った。
III. 中心ブラックホールから離れた位置に、輝線を放射する領域が存在することを発見した。イオンによっては、中心核(中心ブラックホールのごく近傍領域)よりももっぱら中心から離れたこの領域で放射されていることが判明した。過去のスリット分光データを報告している文献(2004 年)では他の細い輝線と共に、同じ成分として解析され発表されていたが、補償光学を利用して空間分解した面分光を行う
ことで、輝線によって放射領域が異なり、データの解釈等を慎重に再吟味する必要があることがわかった。
IV. 中心核からの放射(降着円盤の連続光と広輝線領域からの輝線)は点源とみなせるほど十分小さいる様子は、VLT のこの観測データでも確認され、視野内での速度変化も観ることができた。
また、可視光データの視野全面にわたり銀河回転が検出できていることもわかり、電波帯域の一酸化炭素分子 CO 分子輝線による銀河回転の測定と同傾向であることが確認できた。論文発表へ向けて解析と議論を急ぎ進めている。
すばる/MUSE 両望遠鏡を用いた面分光以外の成果として、ガス噴出流が観えている活動銀河核の時間変動の特性や宇宙の歴史における巨大ブラックホールの活動史についての発表を行った。
また、巨大ブラックホールへのガス供給に関する
Nature Astronomy 誌での論文発表について、記者会見と報道発表を行った。

が、中心ピクセルだけでなく周辺の位置のピクセルにも、Point Spread Function (PSF)の強度分布で漏れ出す。点源である広輝線領域から放射されている輝線の強度分布を用いて PSF の大きさを測ると、半値幅
FWHM は観測波長 5150Å (Hβ)で約 0.21 秒角、7000Å(Hα)で約 0.14 秒角、9000Å 付近で約 0.09 秒角であっ考察
面分光データの解析の結果得られた、高速ガス噴出領域の大きさの計測と、複数発見された輝線放射領域の分布や起源の特定を慎重に進めている。

Galaxy Evolution Workshop 2020 , 2021 Feb 2--5-

未確定ながら、銀河中心の巨大ブラックホール付
近でのガス噴出を様々な手法で探査した結果、非点

2.

記者会見及び、研究成果解説の公開：「冬眠する対称の高速ガス噴出の兆候を見つけている。検出のブラックホール ～銀河衝突がもたらす大質量真偽を検証する精査と噴出速度やガスの形状の計測、ブラックホールのエネルギー源の流失～」, 三木

および論文発表へ向けて解析と議論を急ぎ進めてい洋平, 森正夫, 川口俊宏; 2021 年 1 月, 東京大学,る。

筑波大学, 尾道市立大学, 国立天文台のホーム

さらに、補償光学機能がよく性能を発揮した結果

ページにおいてリリース, 朝日新聞、読売新聞、判明した事として、中心から周辺ピクセルへの光の漏れ込み量が点対称ではなく、かつその異方性も波産経新聞、中国新聞、日経新聞などで掲載
3.

大木平, 石山智明, 長島雅裕, 川口俊宏, 岡本崇,

長依存性が大きいことがわかった。サイエンス目的

榎基宏, 白方光, “Uchuu simulation と準解析的モの解析と併せて、レーザートモグラフィー補償光学デルで探る高赤方偏移クエーサー形成”, 日本天の実際の振る舞いを装置開発チームへ報告する事を文学会年会, 2021 年 9 月 13--15 日

目指して情報を集約中である。
誌上発表
参考文献
1.

1.

"NuSTAR Non-detection of a Faint Active Galactic

Kawaguchi T., Ozaki S., Sugai H., et al. 2018, PASJ,

Nucleus in an Ultraluminous IR Galaxy with Kpc-70, 93 (1-8), A 100 pc-scale fast and dense outflow inscale Fast Wind", X. Chen, K. Ichikawa, H. Noda ,T.

the narrow-line Seyfert 1 galaxy IRAS 04576+0912

Kawamuro, T. Kawaguchi, Y. Toba, and M. Akiyama,2020 年 12 月, The Astrophysical Journal 誌, 905 巻,2頁

研究の発表
口頭発表
1.

2.

"Destruction of the central black hole gas reservoir

T. Horiuchi, T. Morokuma, T. Misawa, H. Hanayama,

through head-on galaxy collisions”, Y. Miki, M. Mori

and T. Kawaguchi , “The Correlation between Broad

and T. Kawaguchi, 2021 年 1 月, Nature Astronomy

Absorption Line Variability and Quasar Properties”,

誌, 5 巻, 478—484 頁