z∼4までの大質量銀河におけるM•-M∗関係の有意な進化の証拠なし

核心概念

本稿では、z∼4までの大質量銀河において、ブラックホールの質量と銀河の質量の比率に有意な進化が見られないことを示唆する研究結果を報告します。

要約

研究の概要

本稿は、z∼1–4の大質量銀河におけるブラックホールと銀河の質量の関係を調査した研究論文です。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の近赤外線カメラ（NIRCam）による広視野スリットレス分光法（WFSS）とJADESの深宇宙多バンドNIRCam画像データを用いて、18個の広輝線アクティブ銀河核（BL AGN）を特定し、そのブラックホール質量と銀河の質量を測定しました。その結果、z∼4までの大質量銀河において、ブラックホールの質量と銀河の質量の比率に有意な進化が見られないことが示唆されました。

研究の背景

超大質量ブラックホールとそのホスト銀河の共進化は、現代天文学における重要なテーマです。低赤方偏移（z < 1）の大質量銀河では、ブラックホールの質量とそのホスト銀河の特性との間に強い相関関係があることが確立されています。しかし、高赤方偏移、特に宇宙の正午（z ≳2.5）を超える銀河では、その関係は議論の的となっています。

データとサンプル

本研究では、GOODS-SおよびGOODS-NフィールドにおけるFRESCOサーベイとCONGRESSサーベイからのNIRCam/WFSSデータ、およびJADESからの深宇宙多バンドNIRCam画像データを使用しました。これらのデータから、1 < z < 4の範囲にある18個のBL AGNを特定しました。

ブラックホール質量の測定

ブラックホールの質量は、広輝線の速度幅と特定のバンドにおけるAGNの光度に基づく単一エポックビリアル質量法を用いて推定しました。本研究では、近赤外線広輝線（パッシェンα、パッシェンβ、He I λ10833 ˚A）の幅を測定し、Ricci et al. (2017)のビリアル質量推定関係を用いてブラックホール質量を算出しました。

銀河質量の測定

銀河の質量は、JADES NIRCamの広帯域画像を用いたAGN-銀河イメージング分解と、Prospectorソフトウェアを用いたSEDフィッティングによって測定しました。AGN-銀河イメージング分解では、Pythonパッケージgalightを用いて、点像分布関数（PSF）成分とセシック成分で画像をフィッティングすることで、AGNと銀河からの光を分解しました。SEDフィッティングでは、PSFを差し引いた銀河のフラックスを、遅延タウ星形成史、Kroupa初期質量関数、Kriek & Conroy (2013)の減光則を仮定したSEDモデルでフィッティングしました。

結果

本研究の結果、z∼4までの大質量銀河において、ブラックホールの質量と銀河の質量の比率に有意な進化は見られないことが示唆されました。これは、低赤方偏移における研究結果と一致しています。

結論

本研究は、JWSTのNIRCam/WFSSデータとJADESの深宇宙多バンドNIRCam画像データを用いて、z∼4までの大質量銀河におけるブラックホールと銀河の質量の関係を調査した最初の研究です。その結果、z∼4までの大質量銀河において、ブラックホールの質量と銀河の質量の比率に有意な進化が見られないことが示唆されました。この結果は、超大質量ブラックホールとそのホスト銀河の共進化の理解に重要な貢献をします。

統計

サンプル数は18個のBL AGNです。
赤方偏移の範囲は1 < z < 4です。
ブラックホールの質量の範囲は10^7から10^9太陽質量です。
銀河の質量の範囲はlog(M*/M⊙) ≳10です。

引用

"Taking account of the observational biases, the intrinsic scatter of the M• −M∗ relation, and the errors in mass measurements, we find no significant difference in the M•/M∗ratio for 2.5 < z < 4 compared to that at lower redshifts (1 < z < 2.5), suggesting no evolution of the M• −M∗ relation at log(M∗/M⊙) ≳10 up to z∼4."

抽出されたキーインサイト

No evidence for a significant evolution of $M_{\bullet}$-$M_*$ relation in massive galaxies up to z$\sim$4

by Yang Sun, Ji... 場所 arxiv.org 11-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.06796.pdf

深掘り質問

この研究結果は、より高赤方偏移の銀河におけるブラックホールと銀河の共進化について、どのような示唆を与えるのでしょうか？

この研究では、z~4までの大質量銀河において、ブラックホールと銀河の質量比（M•/M∗）に有意な進化が見られないことが示唆されています。これは、少なくともz~4までの宇宙史において、大質量銀河とその中心にある超巨大ブラックホールが、互いの成長に影響を与えながら共進化してきた可能性を示唆するものです。
特に、z~6のクエーサーではM•/M∗比が大きいという先行研究と比較すると、この結果は興味深いものです。もし、z~6のクエーサーで実際にM•/M∗比が大きいのであれば、z~4からz~6の間の比較的短い宇宙史において、M•/M∗進化に大きな変化があったことを意味します。これは、宇宙初期における銀河やブラックホールの形成、進化の過程を探る上で重要な手がかりとなります。
考えられるシナリオとしては、以下のようなものがあります。

z~4より以前の宇宙では、ブラックホールの成長が銀河の成長よりも速く進行していた可能性があります。これは、初期宇宙に存在した大量のガスが、ブラックホールの成長を促進した一方、銀河の星形成活動は比較的ゆっくりと進行したためと考えられます。
z~4以降になると、ブラックホールからのフィードバックが効果的に働き始め、ブラックホールの成長が抑制されるとともに、銀河全体の進化にも影響を与えた可能性があります。
ただし、これらのシナリオを検証するためには、より高赤方偏移（z>4）におけるM•/M∗関係を、より多くのサンプルを用いて、精度よく測定する必要があります。

この研究では、大質量銀河のみを対象としていますが、小質量銀河では異なる進化が見られる可能性はあるのでしょうか？

その可能性は十分にあります。
大質量銀河と小質量銀河では、その形成過程や進化の歴史が大きく異なる可能性があり、それに伴いブラックホールの成長過程も異なる可能性があります。例えば、小質量銀河は、大質量銀河に比べて、星間物質の密度が低く、ブラックホールへのガス供給効率が低い可能性があります。また、小質量銀河では、超新星爆発などのフィードバックの影響を受けやすく、ブラックホールの成長が抑制される可能性も考えられます。
実際に、近傍宇宙の矮小銀河において、M•/M∗比が局所的な関係よりも高いという報告もあります。これは、小質量銀河では、大質量銀河とは異なるメカニズムでブラックホールが成長している可能性を示唆しています。
したがって、小質量銀河におけるブラックホールと銀河の共進化を理解するためには、大質量銀河とは別に、小質量銀河に特化した研究を進める必要があります。

ブラックホールと銀河の質量の関係は、銀河の形態や環境とどのように関連しているのでしょうか？

ブラックホールと銀河の質量の関係は、銀河の形態や環境とも密接に関連していると考えられています。
銀河の形態との関連:

楕円銀河: 一般的に楕円銀河は、円盤銀河に比べて大きなバルジ（銀河中心部の膨らみ）を持ち、質量の大きなブラックホールを持っている傾向があります。これは、楕円銀河が、銀河同士の合体を経て形成されたというシナリオと整合性が取れます。銀河合体によって大量のガスが銀河中心部に供給され、ブラックホールの成長と星形成活動が同時に促進されたと考えられています。
円盤銀河: 一方で、円盤銀河は、楕円銀河に比べてバルジが小さく、質量の小さなブラックホールを持っている傾向があります。円盤銀河では、ガスが円盤状に分布しており、ゆっくりと星形成活動を行っているため、ブラックホールへのガス供給効率が低いと考えられています。
環境との関連:

銀河団: 銀河が密集している銀河団のような環境では、銀河同士の相互作用や合体が頻繁に起こり、ブラックホールの成長が促進される可能性があります。また、銀河団中心部には高温の銀河団ガスが存在し、これが冷却されて銀河に降着することで、ブラックホールの成長を促進する可能性も指摘されています。
銀河群やフィールド: 一方で、銀河の密度が低い銀河群やフィールドと呼ばれる環境では、銀河同士の相互作用や合体の頻度が低く、ブラックホールの成長も比較的穏やかであると考えられています。
これらの関連性を明らかにするためには、様々な形態や環境にある銀河を対象とした、ブラックホールと銀河の質量の関係の系統的な研究が不可欠です。
特に、JWSTによる観測は、遠方宇宙における銀河の形態や環境、そしてブラックホールの質量を詳細に調べることを可能にするため、今後の研究の進展が期待されます。