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

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1 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

2 水（水蒸気）メーザーの放射（１） 熱平衡状態 星間ガス 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
　　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 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。 　　　　　　　　　　　反転分布→許される。 　　　　　　　　　　　→強い誘導放射

3 水（水蒸気）メーザーの放射（２） JKaKc = 616 － 523 回転エネルギー準位間 反転分布 → メーザー
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＝ 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 → →

4 VLBI観測の一般論 VLBI （体積比～106） ⇒銀河中心核の観測 望遠鏡の角分解能（回折限界） 超高分解能 D~数千km →
　　超高分解能 　　　D~数千km　→　 （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）

5 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 Nature 46, 927) 　　 (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）

6 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, TXS ) 　　南天　 Ｃｉｒｃｉｎｕｓ 構造＝横向き円盤　（降着円盤の外縁部／トーラス）

7 メーザー円盤の構造 （一般論） 天空上のメーザー円盤（例N4258） 上から見た図→ ↑ メーザースポット ↑観測者 ↑ ジェット
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 システム速度成分 傾き角＜10° 水メーザーの スペクトル→ 赤方偏移成分 ← 青方偏移成分

8 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 　　　　　　　　0.28 pc MBH = 3.9 x 107 Mo Mdisk<　　　 Mo ケプラー回転 Vrot 中心天体質量密度 　　R<0.01pc ⇒　1012 Mo pc-3 　　　　　　　　　 ⇒　BH R

9 UGC 3789 MBH =1.1×107 Mo Mdisk < 105 Mo (M.Reid et al. 2009) 視線速度
赤緯オフセット 赤経オフセット 視線速度 MBH =1.1×107 Mo Mdisk < Mo Vrot∝R－(0.53±0.01)

10 ブラックホール質量の測定（2） （大質量円盤）
NGC1068 (Greenhill et al. 1996) NGC3079 (Yamauchi, et al. 2004) NGC3393 (Kondratko, et al. 2008) IC1481 (Mamyoda, et al. 2009) -α -0.31±0.02 -0.37±0.07 -0.10±0.04 -0.19±0.04 V∝R-α （円盤回転曲線）

11 ブラックホール質量と円盤質量の分離 中心力 ポテンシャル 円盤の面密度分布 ↑ メーザー円盤 rin=3rg rout=100pc
　　　　↑ メーザー円盤 rin=3rg rout=100pc ポテンシャル 円盤の面密度分布 (b=-1, Mestel’s disk)

12 N1068 N3079 N3393 IC1481 V∝R-α -0.31 ±0.02 -0.37 ±0.07 -0.10 ±0.04 -0.19 MBH ×106(Mo) 12±1 1.9±0.2 <5.4 Mdisk 11 <1.2 33±3 35±2 (Hure 2002) (Mamyoda 2010)

13 BH質量ーバルジ関係 （Ferrarese & Merrit 2000) 水メーザー ←ーーーー→

14 ● ｜ ↓ ● ｜ ↓ ● ↓ ↓ ↓

15 マンゴリアン関係 ● ● ● ↓ ● ● ↓ ● ↓ ● ＿

16 メーザー円盤と質量降着率

17 NGC3079の例 (Yamauchi, etc 2004)

18 IC1481の例 Vrot∝R-0.3 Massive disk Mdisk ~ Mcent ~ 106 Mo

19 Type A H2O Maser X-ray (ASCA, keV)

20 Type B H2O maser X-ray (ASCA , keV) Fe(Kα) at 6.4keV

21 幾何学的に厚い円盤と薄い円盤 （例　NGC 4258） （例　NGC 1068）

22 （Mamyoda 2010） ASCA (メーザー円盤の速度分散→大)

23 Pcメーザー円盤とkpc銀河円盤の回転軸
NGC 4258

24 IC2560 (Ishihara etc 2001 PASJ 53, 215; Yamauchi etc 2009, PASJ submitted ) D = 26 Mpc R = – pc V = 213 – 418 km/s H/Rin < 1 / 7

25 銀河円盤の傾き角 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
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

26 まとめと問題提起 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？
　　　　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？

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29 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) = Lo

30 メーザー円盤の構造 (VLBA) R(pc) 2H(pc) H/Rin σV (km/s) Tｙｐｅ Ａ
　NGC < < <10 IC < < <10 　　　（静水圧平衡）　　 Mdisk<10-2 MBH (Kepler) Ｔｙｐｅ　Ｂ NGC NGC – IC – 　　　（ランダム軌道）　　 Mdisk ~ MBH (sub-Kepler)

31 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)~ (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)

32 EW(Fe) ⇔ Shigh/Ssystem
A B Fe (kα) at 6.4 keV neutral fluorescence from cold gas illuminated by IC from AGN

33 Absorption ⇔ Shigh/Ssystem
Photon Index N(H)

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35 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 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

36 Ｓｈｉｇｈ／Ｓsystem Type A Type B

37 銀河円盤と中心核pcスケール円盤の回転 NGC4258

38 IC2560 (Ishihara etc 2001 PASJ 53, 215; Yamauchi etc 2007 in preparation ) D = 26 Mpc R = – pc V = 213 – 418 km/s H/Rin < 1 / 7

39 銀河円盤と中心核円盤の傾きは独立

40 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？
　　（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？

41 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