[論文レビュー] Supermassive Black Holes and the Evolution of Galaxies

D. O. Richstone, Edward A. Ajhar+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 75被引用数 87

ひとこと要約

本論文は、銀河の進化において超大質量ブラックホール（SMBH）が中心的役割を果たしていることを、星の運動およびガスの運動からの力学的証拠を用いて確立している。SMBHの質量がバルジ質量のおよそ0.005倍であることは、銀河中に広く見られる。また、観測されたSMBH質量関数がクェーサーの統合光度と整合しており、SMBHがクェーサーを駆動し、フィードバック機構を通じて銀河成長を制御しているという見解を支持している。

ABSTRACT

Black holes, an extreme consequence of the mathematics of General Relativity, have long been suspected of being the prime movers of quasars, which emit more energy than any other objects in the Universe. Recent evidence indicates that supermassive black holes, which are probably quasar remnants, reside at the centers of most galaxies. As our knowledge of the demographics of these relics of a violent earlier Universe improve, we see tantalizing clues that they participated intimately in the formation of galaxies and have strongly influenced their present-day structure.

研究の動機と目的

• 銀河核における超大質量ブラックホール（SMBH）の存在と人口統計を、力学的および観測的証拠を用いて確立すること。
• SMBH質量と宿主銀河バルジ光度との関係を特定し、SMBHが銀河形成を制御する仮説を検証すること。
• 吸着駆動モデルを用いて、SMBHがクェーサーおよび活動銀河核（AGN）のエネルギー源である役割を評価すること。
• 星の速度分散、メーザー、リバーブベーションマッピングなどの力学的技術がSMBH質量を測定する上でどれほど頑健であるかを評価すること。
• 観測されたSMBH質量関数が、宇宙時間にわたるクェーサーの統合エネルギー出力とどのように整合するかを検証すること。

提案手法

• ニュートン力学を用い、半径rにおける質量は $ M_r = \alpha v^2 r / G $ で推定され、ここでvは試験粒子の速度で、α ≈ 1 である。
• 星の運動学および光度測定を用いて、質量の大きな暗黒物体（MDO）を推定し、M87が初期の主要な事例として、$ 5 \times 10^9 M_\odot $ の中心質量を示している。
• NGC 4258におけるメーザー放射を用いて、サブパーセクスケールでのケプラー的回転を測定し、正確なブラックホール質量を算出している。
• AGNにおけるリバーブベーションマッピングを用い、連続放射と線スペクトルの変動の時間遅れからブラックホール質量を推定している。
• X線スペクトルを分析し、相対論的広がりおよび重力赤方偏移を示すFe Kα線の特徴を検出することで、イベントホライズンに近い位置からの放射を示している。
• 観測されたSMBH質量関数と、統合クェーサー光度から予測される質量密度 $ \rho_u = u / (\epsilon c^2) $ を比較している。ここで $ u = 1.3 \times 10^{-15} \, \text{erg cm}^{-3} $ である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河における超大質量ブラックホールの質量関数は何か？ また、それが宿主バルジ光度とどのように相関するか？
• RQ2 星およびガスの運動学的測定によって、銀河中心に超大質量ブラックホールが存在することは確認できるか？
• RQ3 クェーサーのエネルギー出力は、超大質量ブラックホールへの吸着と整合的か？ その場合の放射効率はどの程度か？
• RQ4 相対論的Fe Kα線のようなX線スペクトル的特徴は、ブラックホールスピンおよびイベントホライズンに近い位置からの放射をどのように示しているか？
• RQ5 SMBHはどれほど銀河進化をフィードバックによって制御しているのか？ また、観測されたSMBH質量密度はクェーサーのエネルギー出力と整合的か？

主な発見

• 観測されたブラックホール質量関数は、クェーサーの統合光度と整合しており、予測される質量密度は $ \rho_u = 2 \times 10^5 (0.1 / \epsilon) \, M_\odot \, \text{Mpc}^{-3} $ である。
• ブラックホール質量とバルジ質量の比は $ \Upsilon = 1.8 \times 10^{-3} (0.1 / \epsilon) (M_\odot / L_\odot) $ であり、$ M_\bullet \approx 0.005 M_{\text{bulge}} $ を示している。
• NGC 4258では、メーザー運動学によりブラックホール質量が $ 3.7 \times 10^7 M_\odot $ と算出され、半径0.13 pcで、コンパクトで質量の大きな物体であることが確認された。
• MCG–6-30-15のX線観測では、ドップラー線形速度が最大100,000 km s⁻¹に達する相対論的広がりを示すFe Kα線が観測され、数個のシュバルツシルト半径以内からの放射を示している。
• セイフェルト銀河におけるリバーブベーションマッピングにより、ブラックホール質量は $ 10^7 $ から $ 10^8 M_\odot $ の間であり、動力学的推定と整合的であるが、速度-半径スケーリングに系統的不確実性が存在する。
• 観測された $ M_\bullet \propto L_{\text{bulge}}^{1.2} $ の関係は、$ M_\bullet = 0.005 M_{\text{bulge}} $ のモデルに良くフィットしており、SMBHと銀河の密接な共進化を支持している。