研究成果 2013年10月10日
太ったブラックホールは都会育ち： 仮想天文台による"観測"成果
多くの銀河の中心には、太陽の百万倍を超える質量の巨大ブラック ホールが存在します。そして巨大ブラックホールの成長と銀河その ものの成長には密接な関連があると考えられています。一部の巨大 ブラックホールは、周囲のガスを引き寄せて莫大なエネルギーを放 出し、活動銀河核として観測されています。
巨大ブラックホールがどのように「太って」いくのかはよくわかっ ていません。ひとつの可能性として、巨大ブラックホールをもつ銀 河と周囲の銀河との相互作用によって、ブラックホールの成長がも たらされたという考えもあります。もしこの仮説が正しければ、巨 大ブラックホールを持つ銀河とその銀河の環境には何らかの関係が あるはずです。
これまでの研究では、電波で明るい活動銀河核など一部の種族が銀 河の密集した環境にあることは知られていましたが、中心のブラッ クホール質量との関連については明確な結果が得られていませんで した。そこで、研究チームは、中心に巨大ブラックホールがある活 動銀河核の周囲の銀河の分布を調べました。
図1：銀河の分布と、活動銀河核を持つ銀河、そ してその中心にある活動銀河核の想像図。活動銀河核は銀河中心に ある巨大ブラックホールに周囲のガスが落ち込むことにより明るく 輝く天体です。今回の研究では、銀河中心の巨大ブラックホールの 質量が、周囲の銀河の分布と関連していることが明らかになりまし た。
巨大ブラックホールの平均像を知るためには、多数の巨大ブラック ホールと、巨大ブラックホールを中心にもつ銀河の環境を調べる必要 があります。そこで、今回の研究では、多数の巨大ブラックホールの 「観測」を行うために、「仮想天文台」を活用しました。
仮想天文台とは、世界中にある様々な天文データベースをインターネッ トによって連携させ統合的に利用できるようにしたシステムです。国立 天文台データベース推進室では、データベース天文学の強力な研究手段 として日本独自の仮想天文台ポータルサイト等を開発してきました。今 回の研究ではまず、SDSS（注１）の分光観測によってブラックホール質 量が測定されている１万個にものぼる活動銀河核のデータを収集し、さ らにそれらの周囲にあるの銀河のデータをUKIDSS（注２）の銀河カタロ グから取得しました。仮想天文台を用いることで、UKIDSSが観測した約 ７千万もの天体の中から、活動銀河核周囲の必要な銀河のデータだけを 自動的に効率よく抜き出して解析を行うことが出来ました。また、新た な解析手法 （注３） を考案し、周辺銀河の数密度分布を高い精度 で 求めることに成功しました。
図2：活動銀河核の周囲の銀河の分布を、ブラック ホールの質量別に集計した結果（最も重いグループと、最も軽いグルー プの結果だけを載せた）。活動銀河核の近くほど銀河の数密度が高い傾 向が見えると共に、重いブラックホールほど銀河の密集度が高いことが 分かります。
解析の結果、より大質量の巨大ブラックホールは、銀河がより密集した環 境に存在する傾向がみられました。このことは巨大ブラックホールの質量 が、サイズスケールでは1億倍という大きなスケールと密接な関連を持つ という驚くべき結果です。
なぜ銀河が密集したところでブラックホールが「太る」のでしょうか？ 銀河の密集した領域では、銀河同士の合体が頻繁におこります。銀河の衝 突・合体によって、銀河内のガスの運動が乱れ、大量のガスが巨大ブラッ クホールに落ち込むことで、ブラックホールが成長した可能性が考えられ ます。また、合体した双方の銀河にブラックホールがあった場合、ブラッ クホール同士が合体して、より巨大なブラックホールを作ったのかもしれ ません。
一方で、１億太陽質量以下の巨大ブラックホールに関しては、ブラックホー ル質量と銀河分布の相関がなくなるという、研究チームも予期していな かった性質も見つかりました。これは、太陽質量の１億倍程度を境として ブラックホールの成長過程が変化している可能性を示唆します。
図３：ブラックホール質量による銀河の密集度の違い （縦軸は銀河密度が高くなっている領域のサイズを表し、大きいほど密集 度が高い）。大質量側では、より重いブラックホールがより銀河の密集し た環境にあります。一方、低質量側では相関が見られません。
「今回の研究で、これだけ大量のデータを非常に短時間で処理できる仮想 天文台の持つパワーをあらためて実感しました。」と小宮氏は語ります。 仮想天文台を用いる研究手法は、すばる望遠鏡の新たな広視野カメラなど により取得されるさらに大量の観測データを用いた研究にも応用できます。 研究チームのメンバーの一人、白崎氏は「特に、比較的小さな巨大ブラッ クホールは、まだ観測も少なく未知の面が多いです。巨大ブラックホール は最初どのように生まれたのか、という謎ともからんで、探るべきことは たくさんあります。」と今後の研究の展望を語っています。
(注1, SDSS) Sloan Digital Sky Survey。光学望遠鏡で全天の約1/4を観 測し、宇宙の銀河地図を作成しました。
(注2, UKIDSS) UKIRT Infrared Deep Sky Survey。赤外線望遠鏡で全天の 約1/10の範囲を観測しました。 SDSSと比べて遠方の銀河をより多く観測 できています。
(注3) 本研究で用いた新たな解析手法では、まず各観測領域で、ある明る さの銀河が、どのくらいの確率で検出されているか（検出効率）を調べま す。この検出効率を使って、暗くて検出できなかった銀河の個数を補正し ます。このようにして、暗い銀河の個数も含めた各観測領域で平均的な銀 河密度の平均的な領域からの超過度を、暗い銀河の個数も含めてを見積も ることができます。一方、通常の研究手法では、距離の測られている一定 以上明るい銀河のみを調べて、銀河の密集度を見積もります。そのため暗 い銀河のデータは使われないことになります。
論文
今回の研究成果は、Komiya et al. "A Cross-correlation Analysis of Active Galactic Nuclei and Galaxies Using Virtual Observatory: Dependence on Virial Mass of Supermassive Black Hole" として、アスト ロフィジカル・ジャーナル誌(vol.775, article id.43)に掲載されました。
研究メンバー
- 小宮 悠 （国立天文台 天文データセンター 研究員）
- 白崎 裕治 （国立天文台 天文データセンター 助教）
- 大石 雅寿 （国立天文台 天文データセンター 准教授）
- 水本 好彦 （国立天文台 天文データセンター 教授）