クエーサーの構造を反映する銀河周囲のガスの非等方性

【2022年7月27日 信州大学】

クエーサーは遠方の宇宙で多く観測される点状の天体であり、その正体は銀河中心核に潜む超大質量ブラックホールの活動だと考えられている。ブラックホールに大量のガスが流れ込むと、降着円盤と呼ばれる構造を形成するが、その中でガスが超高温になり、ときに銀河本体の100倍以上もの明るさになる輝きを生むのだ。

クエーサーが発する紫外線は周囲の水素ガス（中性水素）を電離して陽子と電子に分解してしまうが、その影響は銀河周囲に広がる銀河間ガスにまで及ぶ。中性水素は特定の波長の光を吸収するので、その吸収の強さを観測すれば、特定方向の銀河間ガスがどれだけ電離しているか（あるいは中性水素が残っているか）を判断できる。たとえば、クエーサーの光を調べれば、クエーサーと私たちの間にある視線方向の銀河間ガスの電離度合い（電離レベル）がわかる。

一方、それ以外の方向については、考察対象のクエーサーとほぼ同じ方向でさらに遠くに位置するクエーサーの光を観測すれば良い。クエーサーが全方向に同じだけ紫外線を放射していれば、どちらの場合でも水素は同程度に電離しているはずだ。ところがこれまでの観測によれば、クエーサーと私たちの間にある水素の方が、それ以外の方向の水素ガスより多く電離されていた。

クエーサー自身の光（A）を観測すると、クエーサーから私たちに向かう方向にある水素ガスの電離レベルがわかる。一方、さらに遠くにある別のクエーサーの光（B）を観測すれば、離れた方向の電離レベルがわかる（提供：信州大学）

信州大学の三澤透さんたちの研究チームは、この違いがクエーサーの構造によるものだと予想した。光り輝く降着円盤の外側には、光を遮る塵がドーナツ状に分布したダストトーラスが存在すると考えられる。これまで調査の対象になったクエーサーが、全て降着円盤の面をこちらに向けていたのであれば、その方向でのみ紫外線が強く、電離レベルが高かったのだと理解できる。

実際、先行研究では「BALクエーサー」と呼ばれる特定のグループが、解析が困難だという理由から調査対象から外されていた。BALクエーサーはスペクトル上に幅の広い吸収線（Broad Absorption Line）を持つのが特徴で、これは降着円盤とほぼ平行に噴き出すガスの流れである「アウトフロー」によると考えられている。つまり、BALクエーサーの降着円盤は私たちから見て横向きであるはずだ。

クエーサー中心部の想像図。（左）クエーサーの発光領域はドーナツ状の遮蔽構造（ダストトーラス）で覆われているため、中心部からの紫外線放射は指向性を持つと考えられている。（右）銀河中心ブラックホールの周囲に明るく輝く円盤（降着円盤）が存在し、そこからメッシュ構造に沿う向きにアウトフローとよばれるガスが放出される。アウトフローは降着円盤に近い角度で放出されると考えられている（提供：信州大学、国立天文台）

三澤さんたちはスローン・デジタル・スカイ・サーベイのクエーサーカタログから12個のBALクエーサーを選び出し、すばる望遠鏡による観測データも加えて、周囲の中性水素ガスの量を調べた。それぞれのBALクエーサーのさらに奥にあるクエーサーを観測したところ、中性水素ガスによる吸収はこれまで観測されたクエーサーの4分の1程度かそれ以下だった。

このことは、BALクエーサーでは私たちの視線とは垂直な方向へ、ダストトーラスに遮られることなく紫外線が発せられていて、中性水素が電離されていることを示している。クエーサー周辺の水素の電離がダストトーラスによって影響を受けているという仮説を裏付けるものだ。
BALクエーサーの場合、視線方向にダストトーラスがあり、それとは垂直な方向に紫外線が出て水素を電離しているため、奥のクエーサーからの光は中性水素による吸収を受けにくい（提供：信州大学）

クエーサーの標準的なモデルではダストトーラスは不可欠な構造であるとされているが、その存在を観測的に支持する今回の成果は、クエーサーの内部構造を探る上で重要となる。