水メーザー観測による
銀河中心核とブラックホールの研究
中井直正
(筑波大学数理物質科学研究科物理学専攻)
AGNの水メーザー観測
1.BH質量(-バルジ関係)
2.メーザー円盤と質量降着率
3.銀河中心核と銀河円盤の回転
1
水(水蒸気)メーザーの放射(1)
熱平衡状態
エネルギー準位間の遷移が粒子衝突による。
ボルツマン分布
 h 
n2 g 2
  1
 exp 
n1 g1
 kTkin 
星間ガス
粒子数密度が地上(1019cm-3)に比べ極めて低い。
→遷移が主として粒子衝突によるとは限らない。
→ボルツマン分布になる必要性はない。
n2 g 2
1
n1 g1
反転分布→許される。
→強い誘導放射
2
水(水蒸気)メーザーの放射(2)
H2O分子構造
回転エネルギー準位間
JKaKc = 616 - 523
反転分布 → メーザー
周波数=22.235 GHz
Punping = 衝突ならば
・n(H2)~107-1010 cm-3
・T~数100 K
強
い
連 ⇒
続
波
→
→
→
→
観測者
→
→
3
VLBI観測の一般論
望遠鏡の角分解能(回折限界)  

D
VLBI
   波長 
D  アンテナ口径(単一鏡) 

2 アンテナ間隔(干渉計)

超高分解能
D~数千km →  0.001" ( 1 mas)
cf .  ~ 0.1" (optical)
(体積比~106)
⇒銀河中心核の観測
感度が悪い(ビームが小さすぎる)
観測可能輝度温度 Tb >105-1010 K
非熱的放射
(1) シンクロトロン放射 ⇒ ジェット
(2) メーザー
⇒ 降着円盤外縁部
(線スペクトル→ガスの運動を直接に観測)
4
AGNの水メーザーの探査
単一鏡(GBT-100m, EB-100m,Tid-70m,Spain-70m,NRO-45m)
• 探査>1000 銀河
• 検出~80 銀河
• AGN: Seyfert 2, LINER, Seyfert 1(少),
通常銀河(隠れたAGN)(少)
• 距離:ほとんどは<7000 km/s
(例外)zmax = 2.64 (Violete Impellizzeri et al. 2008 Nature 46, 927)
0.660 (Barvainis &Antonucci, 2005 ApJ 628, L89)
• フラックス密度:S~0.003-5 Jy
• 光度~数10Loー数100Lo(メガメーザー)ー23000Lo
(1本の線スペクトル)
5
VLBIによる水メーザーの観測
S > 0.1 Jy (感度限界にある)
VLBI:=VLBA(+pVLA+GBT+EB)(米)
銀河数=9
北天 NGC1068、NGC3079、NGC3393、NGC4258、
NGC4945、IC2560、 IC1481、UGC3789
(N1052, TXS2226-184)
南天 Circinus
構造=横向き円盤 (降着円盤の外縁部/トーラス)
6
メーザー円盤の構造
(一般論)
上から見た図→
天空上のメーザー円盤(例N4258)
↑
メーザースポット
↑観測者
↑
ジェット
傾き角<10°
システム速度成分
水メーザーの
スペクトル→
赤方偏移成分 ←
7
青方偏移成分
ブラックホール質量の測定(1)
(小質量円盤)
NGC 4258 D = 7.2 Mpc
Miyoshi etc 1995 Nature 373, 127
↑
0.14 pc
MBH = 3.9 x 107 Mo
Mdisk<
105 Mo
Vrot
中心天体質量密度
R<0.01pc ⇒ 1012 Mo pc-3
⇒ BH
↑
0.28 pc
ケプラー回転
Vrot  R 0.5
R
8
UGC 3789
赤
緯
オ
フ
セ
ッ
ト
(M.Reid et al. 2009)
赤経オフセット
MBH =1.1×107 Mo
Mdisk <
105 Mo
視
線
速
度
Vrot∝R-(0.53±0.01)
9
ブラックホール質量の測定(2)
(大質量円盤)
NGC1068
(Greenhill
et al. 1996)
-α
-0.31±0.02
NGC3079
(Yamauchi,
et al. 2004)
NGC3393
(Kondratko,
et al. 2008)
-0.37±0.07
-0.10±0.04
(円盤回転曲線)
V∝R-α
IC1481
(Mamyoda,
et al. 2009)
-0.19±0.04
10
ブラックホール質量と円盤質量の分離
中心力
Vrot2
 r
r
rin=3rg
↑
メーザー円盤
rout=100pc
ポテンシャル
GM bh
(r )  
 (M disk , rin , rout , b)
r
円盤の面密度分布
(r )  r b
(b=-1, Mestel’s disk)
11
N1068
V∝R-α
N3079
N3393
IC1481
-0.31
-0.37
-0.10
-0.19
±0.02
±0.07
±0.04
±0.04
MBH
12±1
×106(Mo)
1.9±0.2 <5.4
12±1
Mdisk
11
×106(Mo)
<1.2
35±2
(Hure 2002)
33±3
(Mamyoda 2010)
12
BH質量ーバルジ関係
←ーーーー→
(Ferrarese
& Merrit 2000)
水メーザー
13
●
|
●
|
|
|
↓
|
↓
●
↓
↓
↓
14
マンゴリアン関係
●
●
● ●
↓
● ● ●
↓ ↓
_
15
メーザー円盤と質量降着率
16
NGC3079の例
(Yamauchi, etc 2004)
17
IC1481の例
Vrot∝R-0.3
Massive disk
Mdisk ~ Mcent ~ 106 Mo
18
Type A
H2O Maser
X-ray (ASCA, 0.5-10 keV)
19
Type B
H2O maser
X-ray (ASCA , 0.5-10 keV)
Fe(Kα) at 6.4keV
20
幾何学的に厚い円盤と薄い円盤
(例 NGC 4258)

M  2r(r )Vinlow
(例 NGC 1068)
21
(Mamyoda 2010)
ASCA
22
(メーザー円盤の速度分散→大)
Pcメーザー円盤とkpc銀河円盤の回転軸
NGC 4258
23
IC2560
(Ishihara etc 2001 PASJ 53, 215; Yamauchi etc 2009, PASJ submitted )
D = 26 Mpc
R = 0.087 – 0.335 pc
V = 213 – 418 km/s
H/Rin < 1 / 7
24
Yamauchi, etc
2010 in preparation
銀
河
数
先天?
銀河形成
(小銀河合体
Wada etc)
後天?
外から角運動量
face-on
edge-on
銀河円盤の傾き角
25
まとめと問題提起
(1) 水メーザーでBHの正確な質量
従来のBH質量ーバルジ関係からずれる?
この関係は成立?
(2) 質量降着率とガス円盤構造の関係
星形成の兆候も?
(3) 銀河の中心核と銀河円盤の回転は独立
銀河形成史の名残?
境界部分は?
26
27
28
NGC3079
Central mass M~(2-3) x 106 Mo
Maser disk
R=0.4 – 1.2 pc
H/Rin = 1 / 3
Velocity dispersion σV= 50 km/s
X-ray
L(2-10keV) =1042-1043 Lo
29
メーザー円盤の構造
(VLBA)
R(pc)
2H(pc) H/Rin σV (km/s)
Type A
NGC4258 0.14-0.28 <0.0003 <0.001 <10
IC 2560
0.09-0.34 <0.025 <0.14 <10
(静水圧平衡)
Mdisk<10-2 MBH (Kepler)
Type B
NGC1068 0.62-1.1
0.06
0.05
40
NGC3079 0.4 – 1.2 0.3
0.38
50
IC1481
3.8 – 14 0.9-4.4 0.3-1.2 20
30
(ランダム軌道)
Mdisk ~ MBH (sub-Kepler)
質量降着率
Type A (thin disk: N4258, IC2560)
Mdisk/MBH<<1, Keplerian, pure circular rot.
⇒ small viscousity
⇒ low accretion rate
L(2-10keV)~1040-1042 (erg/s)
Type B (thick disk: N1068, N3079, IC1481)
Mdisk/MBH~1, large σV,
⇒ large viscousity
⇒ large accretion rate
L(2-10keV)~1041-1044 (erg/s)
31
EW(Fe) ⇔ Shigh/Ssystem
A
B
Fe (kα) at 6.4 keV
neutral
fluorescence from
cold gas illuminated
by IC from AGN
32
Absorption ⇔ Shigh/Ssystem
Photon Index
N(H)
33
34
AGN統一モデルの修正
セイファート1型と2型の違い
• 統一モデル
円盤の見る角度の違い
• 修正モデル
円盤の厚みの違い(A型、B型)
+ 円盤の見る角度の違い
35
Shigh/Ssystem
Type A
Type B
36
銀河円盤と中心核pcスケール円盤の回転
NGC4258
37
IC2560
(Ishihara etc 2001 PASJ 53, 215; Yamauchi etc 2007 in preparation )
D = 26 Mpc
R = 0.087 – 0.335 pc
V = 213 – 418 km/s
H/Rin < 1 / 7
38
銀河円盤と中心核円盤の傾きは独立
39
原因
• 銀河形成時?
CDMモデル ->小銀河の合体
(和田等)
z=10 -> 2 (独立回転を維持)
z=0 まで維持?
• 小銀河、ガスが落下?
最近、角運動量を持ち込んだ?
40
まとめ
AGN
(1) (sub)pcスケールガス円盤に2種
thin ⇔ thick (massive)
(2) 降着率に影響(支配している?)
(3) 中心核pcスケール円盤と銀河円盤の
回転は独立
41
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