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1 原始活動銀河核における 巨大ブラックホール ( とバルジ ) の成長 川口俊宏 ( 国立天文台 光赤外研究部 ) 臨界降着率 (Eddington 降着率 ; M Edd =16 L Eddington /c 2 ): 放射圧 = 重力注意 : 球対称時の限界降着率 - Super-Eddingtonガス降着による巨大ブラックホールの成長 - 共進化 : バルジの成長を観測する計画の紹介 - 2 型 AGNでのSuper-Eddington 降着 中間質量 BH in ULXs へのコメント )

2 Super-Eddington ガス降着による巨大ブラックホール (BH) の成長 : 0.Overview A: 中心巨大 BH へのガス降着率は Eddington limit ではなく 外の要因 ( 角運動量抜き取りの on/off, 中心ガス量など?) で決まっている (Collin + Kawaguchi 04) B: Super-Eddington phase は AGN の総寿命の 2 割前後 (~20 Myr) (Kawaguchi, Aoki, Ohta, Collin 04) C: 輻射圧は強くなるが ガス降着率 ガス放出率 ではなさそう (e.g. Aoki, Kawaguchi, Ohta 05) BH がそれほど巨大で無い時に ガスが BH へ落ちれば Super-Eddington ガス降着が起こる 急速 かつ大規模に BH 質量が成長 Salpeter タイムスケール (~30 Myr for Eddington ガス降着 ) よりずっと早い たくさんの極紫外線を放出する 昔の極紫外線背景放射へ寄与したはず (Kawaguchi 03)

3 10 近傍 AGNのガス降着率 1 M [M sun / yr] 0. 何がガス降着率 (M) を決めるか? No selection effect Collin & Kawaguchi (2004) 0.1 左下 右下の空白 : 天体の選び方による ものなので割愛 10 6 BH mass [M sun ] 最大 M [M sun / yr] (~ LFのL*) がどのBH 質量域でもほぼ同じ -MはEddington limitでコントロールされている訳ではない - 中心 BH 質量に依存しない別の何かがMを決めている

4 スペクトル放射分布 (SED) : NLS1 (TonS180) v.s. quasars QSO の典型的スペクトル (radio quiet) (Zheng et al. 1997; Laor et al. 1997; Telfer et al. 2002) - 降着円盤の温度は BH 質量と反相関 小さい領域までガスが落とされると よく擦れて熱くなる -ガス降着率大でも 円盤が熱くなる 軽めの巨大 BH + 大降着率 = 効率の良い極紫外線放射体

5 AGNでのSuper-Eddingtonガス降着に関する議論 1. Soltan argument: Super-Eddington ガス降着で巨大 BHが成長したわけではない (2 頁 ) 2. 本当にSuper-Eddingtonガス降着天体は居るのか? 2-1. Narrow-Line Seyfert 1 銀河は 単に disk-like 輝線領域 (BLR) をface-on で見ているだけでは? (4 頁 ) 2-2. BH 質量と降着円盤自身の質量 (5 頁 ) 2-3. 可視光輝線プロファイルによって質量推定に系統的誤差 3. バルジも ( ほぼ ) 同時に成長しているか? (3 頁 )

6 1.Super-Eddington ガス降着は SuperMassive BHs の成長に必要無い? (1/2) ε : ガスの静止質量エネルギーから放射エネルギーへの変換効率の平均 (Soltan 82; Chokshi + Turner 92) LF ( AGN) dl dz ε MF( SMBH ) dm 近傍宇宙の SMBH 質量密度 [M O /Mpc 3 ] などの具体的な値を用いると ε ( 効率の良い ) Sub-Eddington ガス降着が BH 成長を担っているはず 変換効率の悪い Super-Eddington 降着は巨大ブラックホールの成長には効かない (Fabian + Iwasawa 99; Yu + Tremaine 92; Elvis ++ 02) 注意 : 積分に効くのは LF,MF の折れ曲がり (knee) あたりの天体

7 1.Soltan argument で追える BH 成長史と原始活動銀河核で追う BH 成長史 : 質量レンジが異なる (2/2) (Kawaguchi ++ 04) ブラックホールの質量関数 : 銀河 ( 黒 ) & AGN( 各色 ) Marconi et al. (2004) 赤 = 可視光 青 = 軟 X 線 ( 低質量 BH を含みやすい ) 緑 = 硬 X 線. 傾き =-1 の線 : 総 BH 質量へ等寄与 Soltan argument で制限が付く BH 成史 : Seed BHs から 10 7 M O BH への成長が Super- Eddington 降着であった事をなんら否定しない

8 Narrow-Line Seyfert 1 銀河 (NLS1) の特徴 : 可視光スペクトル 主に トーラスより内 F λ H β トーラスより外 [O III] Seyfert 2s: トーラスを透かして観測 - 太い輝線が無い / Fe II も -NLS1s- Fe II が強い 太輝線 が典型的 Sy1 よりも細い トーラスより内 FeII (Pogge 1999) λ Seyfert 1s: 下 3 つは 1 型天体を意味 - 太い輝線有り (H β など ) Fe II multiplets が見える

9 Narrow-Line Seyfert 1 銀河 (NLS1s) の特徴と解釈 太輝線 が細い : 放射領域の重力ポテンシャルが浅い - Virialized BLR: ΔV (M BH / BLR のサイズ ) BLRサイズ L 0.5 (Bentz ++ 06) 同じBH 質量の場合 : 細い線幅 BLRのサイズが大きい Lが大きい Mが大同じ光度 (L) の場合 : 細い線幅 小 M BH NLS1s = 小 BH 質量 (~ M sun ) & 大 L/L Edd (~ 1) (conventional な )FWHM < 2000km/s で天体を選ぶと 超巨大 BH の Super-Eddington 天体を見落としがち (Peterson, Boller) Δ v M / L M / m m& = & Eddington 降着率で規格化したガス降着率

10 Narrow-Line Seyfert 1 銀河 (NLS1s) の特徴と解釈 太輝線 が細い : 特殊なorientationで説明できるか? (1) ( 一番 BHに近く ) 一番速度の大きい輝線放射ガス雲だけが視線から隠されている (2 型セイファート銀河のアナロジー ) No: 可視光偏光観測 隠れた太い輝線は無い (Smith ++ 02) (2) disk 状の輝線放射領域 (BLR) をface-onに近い視線で見ている No: ホスト銀河の形態に系統的に差がある (Crenshaw ++ 02; Aoki, Ohta, Kawaguchi 06) cf. 降着円盤と母銀河の向き ~ ランダム (Kinney )

11 2-2. BH 質量の推定と降着円盤の質量 SED of Narrow-Line Seyfert 1 galaxy, TonS180 R<R SG R>100R ~ SG (Kawaguchi, R SG -10R SG Pierens, Hure 04) - 自己重力を無視できる 円盤内縁部は可視光を出さない ( 降着率が大きいので 熱い円盤だから ). - 自己重力が効く かなり遠くまで降着円盤が伸びている必要

12 νl ν Star formation IR dust torus? AGN 降着円盤の自己重力 opt UV X-ray 1μm Non selfgravitating disc (+ corona) ν - Sub-Eddington AGNs 自己重力が効き始めるほど遠くまで降着円盤が伸びているかどうか不明 - 時間変動 (MAGNUM チーム ) - 近赤外線偏光 (Kishimoto ++ 06) - Super-Eddington AGNs νl ν dust torus 1μm Non selfgravitating disc (+ corona) ν 自己重力が BH からの重力を凌駕する遠方まで降着円盤が伸びている ( でないと 可視光放射を説明できない )

13 NLS1(TonS180) ( 数値は SED 計算結果を含む ): BLRの中はほぼ質点 (R SG ~ 3000R Sch ~ 0.002pc) 自己重力の無 z 視できる降着流 R SG y torus Dusty Torus R R s black hole R sg 自己重力が効く降着円盤 10R SG Broad-Line Region ( 輝線放射領域 ) R t ~ 50R SG ~ 100R SG ~ 0.2pc

14 BLR の中はほぼ質点 - 輝線放射領域の中は ( ほぼ質点 ) - 輝線ガス雲は Viliarized ガス雲の速度 ( 分散 ) 距離 -0.5 輝線の幅 Vilialized している場合の理論予測 : V R -0.5 Hβ 輝線 他の輝線 Peterson et al. 04 時間差 ~ 輝線放射領域の大きさ

15 Ton S 180: SED モデルの BH 質量推定 v.s. BLR サイズ - 光度関係による BH 質量推定 -M BH that fits UV to X-ray data is M O 自己重力を無視できる円盤内縁部の質量 ~ 0.02 M BH 自己重力が支配する外縁部の質量 ~ ( ) M BH - 放射輝線領域 (BLR) の中にある質量 : M sun ( サイズ - 光度関係 Hβ 輝線幅より ) - Virialized した BLR の運動から M BH を推定すると 系統的に over-estimate する (Kawaguchi, Pierens, Hure 2004) (at least for super-eddington cases)

16 2-3. 輝線プロファイルと BH 質量推定 輝線の Broad 成分の幅の測り方 : -FWHM: - conventional. - narrow 成分の差っ引きが面倒 - line core ( 速度ゼロ付近 ) に敏感 - σ : 2 次のモーメント (cf. 0 次 = flux, 1 次 = median 波長 ) -( 重みほぼゼロなので ) narrow 成分の差し引きに過敏でなくて済む - line wing (BH に近いところで運動しているガス ) に敏感 三角 gaussian 長方形 rotating ring B.M. Peterson

17 2-3. 輝線プロファイルは Eddington 比と弱い相関 boxier ( 肩が発達 ) (Collin, Kawaguchi, Peterson, Vestergarrd 06) Gaussian profile peakier ( 裾が広い ) Eddington 比 ( 天体の全光度 / Eddington 光度比 )

18 2-3. 輝線プロファイルと BH 質量推定 (Collin, Kawaguchi, Peterson, Vestergarrd 06) M BH (σ * ): 星の吸収線の幅からバルジ質量を推定し バルジー BH 質量比が一定と仮定して推定した BH 質量 (Onken et al. 04) Virial product: c ( 時間差 ) 線幅 2 G σ line -based f 輝線幅 3.9 ± 2.0 FWHM-based f 2.1± ± ± 0.1 Scale factor (f): M BH (σ * ) / Virial product (cf. 通常 0.75 が使われる ) FWHM & scale factor 固定で BH 質量を推定すると 細い線幅を持つ天体の BH 質量を過小評価する (or 重いバルジ )

19 Super-Eddington ガス降着による巨大 BH の成長 : まとめ BH がそれほど巨大で無い時に ガスが BH へ落ちれば Super-Eddington ガス降着が起こる 急速 & 大規模に BH 質量が成長 Salpeter タイムよりずっと早く 1. Soltan argument: Super-Eddington ガス降着で巨大 BH が成長したわけではない というのは L* (M BH *) への制限 2. 本当に Super-Eddington ガス降着天体は居るか? 2-1. Narrow-Line Seyfert 1 銀河の BH は本当に軽い ( 見かけの効果ではない ) 2-2. 降着円盤自身の質量で BH 質量を ~3 倍過大評価している 2-3. Eddington 比大ほど peaky な ( 裾の広い ) 可視光輝線プロファイル 質量推定に系統的誤差か

20 BH 質量毎の BH 成長史の例 (Cattaneo 2002) Note: semi-analytical model 軽めの巨大 BH はガス降着で 重い巨大 BH は merger で成長 現在の BH 質量に対する 各 BH 成長プロセスの割合 [%] Numerous minor accretion BH-BH Merger Major accretion DM halo mass (~ central galaxy mass ~ BH mass)

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巨大ブラックホールがどうやってできたかはこれまでまったくわかっていませんでしたが 今回の新理論構築で中質量ブラックホールを経て形成されるらしいことが明らかになってきました この中質量ブラックホールは 1999 年 共同研究チームの松本浩典研究員 ( マサチューセッツ工科大学 / 大阪大学 元 理研基 報道発表資料 2001 年 10 月 3 日 独立行政法人理化学研究所 巨大ブラックホール誕生の謎解明へ - 宇宙進化の歴史をひもとく大きな一歩 - 理化学研究所 ( 小林俊一理事長 ) は 東京大学および京都大学などの研究グループとともに 銀河の中心部に位置し 銀河の活動エネルギーをまかなう 巨大ブラックホール 誕生に対する新理論モデルを提案しました 理研情報基盤研究部の戎崎俊一基盤研究部長 東京大学大学院理学研究科の牧野淳一郎助教授

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