[論文レビュー] Evidence for a 3 x 10^8 solar mass black hole in NGC 7052 from HST observations of the nuclear gas disk

Roeland P. van der Marel, Frank C. van den Bosch|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 1998

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 35被引用数 85

ひとこと要約

本研究では、WFPC2画像とFOS分光法を用いて、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）によるNGC 7052の核部ガス円盤の観測を行い、イオン化ガスの運動を測定した。データは急激に上昇する回転曲線と中心に向かって増加するドーピラー幅を示しており、これらは中心に $3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$ のブラックホールがあることで最もよく説明され、この電波活性な楕円銀河に超大質量ブラックホールが存在する強力な証拠を示している。

ABSTRACT

We present an HST study of the nuclear region of the E4 radio galaxy NGC 7052, which has a nuclear disk of dust and gas. The WFPC2 was used to obtain B, V and I broad-band images and an H_alpha+[NII] narrow-band image. The FOS was used to obtain H_alpha+[NII] spectra along the major axis, using a 0.26 arcsec diameter circular aperture. The observed rotation velocity of the ionized gas is V = 155 +/- 17 km/s at r = 0.2 arcsec from the nucleus. The Gaussian dispersion of the emission lines increases from sigma = 70 km/s at r=1 arcsec, to sigma = 400 km/s on the nucleus. To interpret the gas kinematics we construct axisymmetric models in which the gas and dust reside in a disk in the equatorial plane of the stellar body. It is assumed that the gas moves on circular orbits, with an intrinsic velocity dispersion due to turbulence. The circular velocity is calculated from the combined gravitational potential of the stars and a possible nuclear black hole (BH). Models without a BH predict a rotation curve that is shallower than observed (V_pred = 92 km/s at r = 0.2 arcsec), and are ruled out at > 99% confidence. Models with a BH of 3.3^{+2.3}_{-1.3} x 10^8 solar masses provide an acceptable fit. NGC 7052 can be added to the list of active galaxies for which HST spectra of a nuclear gas disk provide evidence for the presence of a central BH. The BH masses inferred for M87, M84, NGC 6251, NGC 4261 and NGC 7052 span a range of a factor 10, with NGC 7052 falling on the low end. By contrast, the luminosities of these galaxies are identical to within 25%. Any relation between BH mass and luminosity, as suggested by independent arguments, must therefore have a scatter of at least a factor 10.

研究の動機と目的

• 高分解能HSTデータを用いて、E4電波活性銀河NGC 7052の中心ブラックホール質量を特定すること。
• 核部ガス円盤の運動学的性質を調査し、回転速度およびドーピラー幅プロファイルを明らかにすること。
• 観測されたガス力学に起因する急激なライン幅の増加が、中心ブラックホールの存在を必要とするか、あるいは単に星の力学によって説明可能かを検証すること。
• 星とブラックホールの重力ポテンシャルを含む軸対称的動力学モデルを用いて、ブラックホール質量を制約すること。
• 直接的な動力学的証拠を持つ超大質量ブラックホールを有する銀河のサンプルを拡充すること。

提案手法

• HST/WFPC2が、星の表面密度、チリの減光、イオン化ガスのフラックスをマッピングするために、$B$, $V$, $I$ バンドの広帯域およびH$\alpha$+[NII]狭帯域画像を取得した。
• Faint Object Spectrograph (FOS)が、主軸に沿って6か所の位置で0.26"の円形開口部を用いてH$\alpha$+[NII]分光を取得し、ガスの回転速度とドーピラー幅を測定した。
• ガスが70°の傾きを持つ円盤上で円運動をしていると仮定し、星と中心ブラックホールの重力ポテンシャルを持つ軸対称的動力学モデルを構築した。
• 核部に向かってライン幅が急激に増加する現象は、中心0.1"以内で$>$500 km s⁻¹の非重力的ドーピラー幅（乱流）を必要とした。
• 観測された回転曲線とラインプロファイルを予測するモデルを、中心ブラックホールを含むモデルと含まないモデルで比較した。
• 最良の適合モデルは、$3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$ のブラックホールを含み、観測された発光ライン形状、特に狭いピークと広がったウェッジをよく再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 7052の核部ガス円盤の運動学的性質から、中心ブラックホールの質量は何か？
• RQ2 核部に向かってドーピラー幅が増加する現象は、中心ブラックホールの存在を必要とするのか、それとも単に星の力学によって説明可能か？
• RQ3 ブラックホールを含む軸対称的モデルは、観測された発光ラインプロファイルと回転曲線をどれほどよく再現できるか？
• RQ4 NGC 7052の明るさが他のブラックホールが確認された銀河と類似していることを考慮すると、ブラックホール質量はM–L関係においてどのような意味を持つのか？
• RQ5 HSTデータは、中心ブラックホールを含まないモデルを高い信頼性で除外できるか？

主な発見

• 核部から0.2"離れた位置での観測回転速度は $155 \pm 17$ km s⁻¹であり、ブラックホールを含まないモデルが予測する $92$ km s⁻¹ よりも顕著に高い。
• イオン化ガスのドーピラー幅は、1"で約70 km s⁻¹から核部で約400 km s⁻¹へと増加しており、中心部に強い非重力的運動（乱流）が存在することを示している。
• ブラックホールを含まないモデルは99%以上の信頼水準で除外され、回転速度の急激な上昇を再現できないためである。
• 最良の適合ブラックホール質量は $3.3^{+2.3}_{-1.3} \times 10^8\,M_\odot$ であり、非対称なウェッジを含む観測された発光ライン形状を適切に再現している。
• 中心部では、観測されたライン幅の広がりを再現するため、0.1"以内で500 km s⁻¹を超える乱流ドーピラー幅が必要とされた。
• NGC 7052は、直接的な動力学的証拠を持つ超大質量ブラックホールを有する銀河の増加するリストに加わるが、そのブラックホール質量は同様の銀河で観測された10倍の範囲の下位に位置する。