研究成果
2023年9月15日
国立天文台的特任助教齐藤俊贵和名古屋大学的中岛拓助教等国际研究小组，使用阿尔玛望远镜，对鲸鱼座方向的活动星系核“NGC 1068(M77 )”的中心区域，进行了在波长3 mm波段地毯式观测星间分子气体二维分布的“成像线调查” 调查了活动星系核的化学特性，利用机器学习分析了它反映了什么样的物理状态，结果发现了被认为是由从超巨大黑洞向双极喷出的射流引起的分子气体的溢出。 据悉，这是由于射流冲击银河圆盘而产生冲击波区域，观察到周围物质被加热到高温的现场。 在这个银河的中心附近，由于激烈的喷射的作用，作为星星的基本分子发生了破坏和组成的变化，可以认为有可能抑制了新的星星的诞生。
图1用阿尔玛望远镜和哈勃太空望远镜观测到的涡旋银河NGC 1068的中心部分。 用黄色表示用阿尔玛望远镜检测出的氰化氢同位素( H13CN )的分布，用红色表示青色自由基( CN )的分布，用蓝色表示一氧化碳的同位素( 13CO )的分布，与背景的哈勃太空望远镜的图像重叠。 H13CN仅集中存在于活动星系核的中心，而13CO主要分布在围绕周边的环状气云中。 另外，CN不仅分布在中心部和环状的气体云双方，而且具有从中心向东北(左上)方向和西南(右下)方向延伸的结构，这可能是由来自超巨大黑洞的射流引起的结构。 Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO )，NASA/ESA Hubble Space Telescope，T. Nakajima et al。画像（845KB）
各种类型的银河中，有的以其中心存在的超巨大黑洞为引擎，向周围辐射巨大的能量，它是活动银河核( active galactic nucleus； 来定义自定义外观。 了解银河中心核黑洞的活动对周围星际物质的影响(特别是是加速还是抑制新星星的诞生)，对于理解银河进化的过程很重要。 但是在很多情况下，AGN的中心部被浓气和星际尘埃埋藏着，因此在可见光和红外线的波段即使使用大型望远镜，“那里是什么样的结构呢？ “那里在物理和化学上发生了什么？ ”这样的事情很难直接观测和调查。 作为阿尔玛望远镜观测波长的毫米波、亚毫米波，在电磁波中波长也很长，因此难以受到灰尘的电磁波吸收，具有能够看到这样的银河核区域内部的一大特征。 着眼于该特征，以距离地球比较近(距离约5，140万光年)的AGN之一的鲸鱼座NGC 1068(M77 )的中心核附近为目标，迄今为止也一直在通过毫米波进行观测。 例如，在2007年至2012年进行的使用国立天文台野边山45m电波望远镜的观测中，对于银河中心方向的一点，在频率方向上无偏差地观测波长3 mm(84-116 GHz )的频带，网罗性地寻找其中包含的分子辉线的“line sable” 结果，成功检测到了25条分子辉线，但由于45m电波望远镜空间分辨率低，而且只对银河中心方向的一点进行了观测，虽然确认了存在各种各样的分子，但这些分子气体的分布和中心核附近的结构还不清楚。 因此，此次，以国立天文台艾玛项目的齐藤俊贵特任助教(论文执笔时为日本大学工学部客座研究员兼国立天文台特任研究员)和名古屋大学中岛拓助教为中心的国际研究小组，通过具有更高空间分辨率的艾玛望远镜，对NGC 1068的中心核附近，同样进行了波长3 mm波段( 85 由于阿尔玛望远镜是电波干涉仪，因此可以进行单向观测的区域(视野)内的高分辨率成像，并可以绘制出分子气体的二维分布图。 该观测结果显示，位于银河中心的直径约为650光年的被称为核周圆盘( circumnuclear disk )的结构(图1中显示为闪耀黄色的中心部分)，以及其外侧半径约为3，300光年的爆炸性恒星生成的环状气体云 迄今为止，在AGN的中心区域，只有电波强度特别强且容易观测的分子辉线，有利用干涉仪进行了高分辨率观测的例子，但如本研究所示，是在频率方向无偏置观测，按检测出的所有分子描绘其分布的“成像线调查” 在这次的线检测中，明显检测到了23条分子亮线。 详细分析其光谱数据后，确认了在被认为直接受到中心的超巨大黑洞影响的核周圆盘中，与外侧环状气体云的区域相比，氰化氢( HCN h13cn )分子和一氧化硅( SiO )分子等的存在量特别多 另一方面，在45m望远镜的观测中被认为存在量较多的青色自由基( CN )分子，通过阿尔玛望远镜进行高分辨率观测的结果显示，在核周圆盘中的丰度并不高。 根据至今为止的观测得知，CN分子容易在受到强x射线和紫外线的照射，SiO分子容易在受到强冲击波的气体云中被观测到。 另外，化学反应计算表明，HCN和H13CN分子在高温的分子云中生成反应活跃。 结合这些考虑，作为超巨大黑洞对核周圆盘的影响，暗示着可以看到分子气体通过伴随冲击波的力学机制被加热到高温的样子。 此外，研究小组关注了核周圆盘和环状气云之间的区域，以便更详细地调查这种影响的机制。 在该区域，可以看到某种分子气体的分布从核周圆盘向东北(图1的左上)和西南(同右下)两个方向延伸的结构。 为了按分子对这一特征形态进行分类，研究小组采用了无教师机器学习之一的主成分分析( principal component analysis； 我利用了PCA )。 试图根据人眼对分布形态进行分类，有时结果会根据观众的主观而变化，但通过机器学习可以得到客观的结果。 分析结果显示，核周圆盘及其向外延伸的区域作为分子气体分布的结构被分类为完全不同的区域(图2左)。 从该中心向外延伸的区域，由于表观方向与先前研究中揭示的从超巨大黑洞喷出的双极射流一致，因此可以认为捕捉到了双极的分子流(称为流出)。 被认为是射流和因此而释放的溢出相对于银河圆盘成角度，因此其一部分掠过银河圆盘，认为是由于该处的相互作用引起了冲击波加热(图3中用粉红色表示的区域； 从地球方向看这个，如图2右所示)。 发现在溢出区域，一般银河中常见的基本分子种类(一氧化碳和甲醇等)很少被破坏，相反像自由基这样的特殊分子(氰基自由基、乙炔基自由基、氰化氢异构体等)增加了。 由此可见，位于中心的核周圆盘受到从超巨大黑洞喷出的射流和溢出的强烈影响，并且其影响从核周圆盘一直扩展到外侧的区域。 众所周知，这种射流和溢出的区域会伴随剧烈的冲击波和紫外线x射线等强烈辐射，我们也发现这对于存在一般的星际分子来说是一个恶劣的环境。 星际分子是形成银河主要成分星星的元素。 可以认为，在这个银河的中心附近，由于会破坏成为星星元素的分子，所以会抑制新星星的诞生。 本研究成为第一个从化学角度表明银河中心的超巨大黑洞有可能延缓其母体银河的生长的观测事例。 国立天文台的特任助教齐藤俊贵对此次发现的经过表示:“本来，在这样的喷气飞机的周边会破坏很多星际分子，所以分子的观测本身就很困难，但是通过阿尔玛望远镜高灵敏度且高分辨率的性能和PCA的手法，这次的杰 他回顾说:“明确了银河中心的超巨大黑洞的活动抑制银河生长的描绘，这是一个重大发现。” 名古屋大学的中岛拓助教说:“通过星间化学方法调查天体状态的方法是日本研究小组的特长，但这次通过对AGN的首次成像线调查，了解了这个银河中心的极端环境。 表明了用阿尔玛望远镜进行的线观测和用机器学习进行的分析相结合，对阐明能动的银河的物理化学特性也非常有用。 ”，总结了一系列的论文成果。
图2 (左)使用机器学习进行的分子分布形态分类的图。 发现了某种分子气体的分布从核周圆盘(大致相当于中心的白色点)向东北(左上)和西南(右下)两个方向延伸的结构(蓝色)。 (右)说明通过机器学习分类为与核周圆盘不同区域的双极的分子气体分布结构的示意图(相当于从地球方向观察图3 )。 Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO )，T. Saito et al .
图3来自银河中心超巨大黑洞的双极射流及银河圆盘的位置关系，以及由此引起的分子气体流出的示意图。 Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO )，T. Saito et al .
<论文信息> 这些观测结果， 作为Saito et al .“AGN-driven cold gas outflow of NGC 1068 characterized by dissociation-sensitive molecules”的美国学术杂志 在刊登( DOI: 10.3847/1538-4357/ac80ff )的同时， nakajima et al .“molecular abundance of the circum nuclear region surrounding an active galactic nucleus in NGC 1068 based on imaging line survey 3-mm Band with ALMA”于2023年9月14日在线刊登在美国学术杂志The Astrophysical Journal上( DOI: 10.3847/1538-4357/ace4c7)。 <资助信息> 本研究涉及国立天文台alma scientific research grant no.2017-06b、2018-09B、2020-15A、2021-18A、以及日本学术振兴会科学研究费补助金( JP15K05031、jp17h 066660 ) 是在JP20H00172、JP20H01951、JP21K03632、JP21K03634、JP21K03547、JP22H04939 )的支持下进行的。 阿尔玛望远镜(阿塔卡马大型毫米波·亚毫米波干涉仪，ataca ma large millimeter/submillimeter array:alma )由欧洲南天天文台( ESO )、美国国立科学基金会( NSF )、日本自然科学研究机构( ninine 艾玛望远镜的建设和运用费由ESO、NSF及其合作机构加拿大国家研究会议( NRC )和台湾科学及技术委员会( NSTC )、NINS及其合作机构台湾中央研究院( AS )和韩国天文宇宙科学研究院( KASI )分担。 艾玛望远镜的建设和运用由ESO代表其组成国，美国东北部大学联合( AUI )管理的美国国立电波天文台代表北美，日本国立天文台代表东亚实施。 联合阿尔玛观测所( JAO )的目的是统一执行和管理阿尔玛望远镜的建设、试验观测、运用。
