Revealing the Nature of Supermassive Black Hole Coronae with Synergy of XRISM and ALMA

10 Mar 2025, 11:00 → 12 Mar 2025, 18:00 Asia/Tokyo

セミナー室6E+F (Osaka University Nakanoshima Center)

Hirokazu Odaka (ISAS/JAXA), Taiki Kawamuro (RIKEN), Tomonari Michiyama (Shunan University), Yoshiyuki Inoue (Osaka University / RIKEN iTHEMS)

会議趣旨

降着円盤コロナとは、コンパクト天体に付随する降着円盤周囲に存在する極めて高温（約100億度）のプラズマ領域です。40年以上前に降着円盤コロナの存在が提唱されて以来、その正体は未だ解明されていません。一方でコンパクト天体近傍の降着現象の理解には、コロナが作る連続成分の解明は必要不可欠です。近年、X線観測や数値計算の進展に加え、ALMAによって近傍活動銀河核におけるコロナからの電波放射が初めて捉えられており、降着円盤コロナ研究は新たな段階に入りつつあります。

本研究会は、特に活動銀河核コロナに着目し、活動銀河核コロナの理解を深化させるための萌芽的研究会として企画しました。研究会では、活動銀河核コロナに関する理論と観測の最新の進展、X線分光撮像衛星XRISMと大型ミリ波サブミリ波干渉計ALMAの連携観測で期待される成果、そしてこの分野における最新の発見や関連研究について議論します。また、参加者同士の自由討論の時間も設け、この分野における重要課題の洗い出しや、新たな観測計画立案の契機となることを目指します。

開催形式

本研究会は対面形式で開催いたします。会場の収容人数に限りがあるため、定員に達し次第、申し込み受付を終了させていただきます。なお、スペースの都合上、ポスター発表は受け付けておりません。

日時

2025年3月10日(月) ~ 12日 (水)

会場

大阪大学中之島センター

招待講師 (五十音順)

• 川島 朋尚 (東京大学宇宙線研究所)
• 川中 宣太 (国立天文台／東京都立大学)
• 川室 太希 (大阪大学)
• 久保田 あや (芝浦工業大学)
• 土居 明広 (宇宙科学研究所)
• 野田 博文 (東北大学)
• 道山 知成 (周南公立大学)

世話人

泉拓磨、井上芳幸、小高裕和、川室太希、道山知成

共催

• 国立天文台
• 大阪大学　フォアフロント研究センター　理論連携研究プロジェクト（TJR)
• 理化学研究所　数理創造プログラム (iTHEMS)

Overview

Test

Monday 10 March

Registration

Announcements

ミリ波 / Millimeter Emission

Convener: Yoshiyuki Inoue (Osaka University)

1 Millimeter continuum emission from Seyfert galaxies/LLAGNs

This presentation reviews the history of discoveries of millimeter wave continuum emission from the vicinity of active SMBHs in low-luminosity AGNs, including Seyfert galaxies.

Speaker: Akihiro Doi (ISAS/JAXA)

2 Study of the AGN Central Engine by Millimeter and X-ray Observations

I will present our recent studies of nearby AGNs based on millimeter and X-ray observations

Speaker: Taiki Kawamuro (RIKEN)

14:45 Coffee break

ミリ波 / Millimeter Emission

3 ALMA Continuum Observations of NGC 1068 and GRS 1734-292

"I summarize three ALMA studies investigating jet and coronal activities in Seyfert galaxies.

NGC 1068 Jet: High-resolution ALMA observations reveal parsec-scale blobs in the jet of NGC 1068, with a magnetic field of ≈240 μG. These findings suggest cosmic-ray amplification and significant galactic impact even from modest-power jets.

NGC 1068 Core Spectrum: Broad-band data from 5–700 GHz, including new ALMA results, indicate a combination of emission from the jet base, dusty torus, and compact corona. Updated models suggest a strong magnetic field near the black hole, but higher-resolution data are needed to confirm.

GRS 1734-292 Variability: ALMA detected millimeter excess and time variability in the central ≲100 pc of this radio-quiet galaxy. The findings suggest synchrotron emission from a compact corona or disk winds, with future high-resolution observations required to differentiate these scenarios."

Speaker: Tomonari Michiyama (Shunan University)

4 Millimeter flare unveils magnetic activity around a supermassive black hole

The magnetic fields surrounding supermassive black holes (SMBHs) are crucial to high-energy phenomena such as the initiation of relativistic jets and the formation of hot accretion disk corona that radiates strong X-rays. Various observations have been attempted to assess magnetic fields at the cores of mass-accreting SMBHs (active galactic nuclei; AGNs), but details remain unclear at a scale of tens of Schwarzschild radii (R_s). Here we report the discovery of a rapid flare of millimeter continuum emission from the nearby radio-quiet AGN of the Circinus galaxy. The time-scale of this flare is as short as 3 minutes, corresponding to a source size (radius) of about 12 R_s or less, consistent with the expected spatial scale of the hot corona. The high angular resolution of the data (approximately 1 parsec) and the spectral index analysis enabled to identify the responsible physical mechanism of this flare as coronal synchrotron radiation. We estimated the magnetic field strength as approximately 115 Gauss or higher, which is thousands to millions of times greater than the typical magnetic field strength in star-forming regions of our Galaxy, and is comparable to the values found in general relativistic magneto-hydrodynamic simulations of AGN accretion disk. Our study demonstrates that time-decomposition of high-resolution interferometric data serves as a unique tool to unveil magnetic activities around SMBHs.

Speaker: Takuma Izumi (NAOJ)

5 The millimetric variability of IC4329A

"ALMA’s high-resolution observations have unveiled an excess of emission in the millimeter bands of radio-quiet Active Galactic Nuclei (AGN), yet the origin of this emission remains unclear. One proposed explanation is the synchrotron emission produced by accelerated non-thermal electrons within the X-ray hot corona. Such non-thermal population could also be the origin of the Neutrino emission now detected in a very few AGN. Here, we present the variability
and spectral study using high-resolution millimeter ALMA observations of the Seyfert IC4329A assuming the corona millimeter emission model. We study three different variability timescales: yearly, daily, and intra-day. The spectral analysis reveals the evolving millimeter spectrum of the core emission and its constraints on the size and magnetic field strength of the millimeter emitting corona. The observed variability underscores the importance of coordinated quasi-simultaneous observations between ALMA and X-ray observatories to understand all physical processes at work inside the X-ray hot corona."

Speaker: Samuel Barnier (Osaka University)

Tuesday 11 March

X線 / X-ray

6 Comparison of spectral characteristics between AGN and galactic black hole binaries

"光学的に薄い降着流からの放射はシュバルツシルト半径によって規格化され、ブラックホールの質量に大きく依存しないため、
10~keVを超える硬X線放射は銀河系内の恒星質量ブラックホール連星系(BHB)からAGNまで、共通して観測される。
一方、標準降着円盤（Shakura, Sunyaev 1973）で再現される幾何学的に薄く光学的に厚い降着円盤は
温度がブラックホール質量の1/4乗に反比例するため、BHBではX線領域に、AGNでは紫外から可視域に現れる。
本講演では、円盤と高温コロナの描像についてBHBとAGNの類似点と相違点に注目しながらレビューしたい。"

Speaker: Aya Kubota (Shibaura Institute of Technology)

7 Early Results from XRISM Observations of the Vicinities of Supermassive Black Holes

Since its launch on September 7, 2023, XRISM has successfully observed more than ten nearby active galactic nuclei. In this presentation, we focus on the vicinities of supermassive black holes and report on the early results from the X-ray observations by XRISM.

Speaker: Hirofumi Noda (Tohoku University)

11:10 Break

X線 / X-ray

8 XRISMの初期成果：巨大BH近傍から銀河団まで

ALMAによりBH近傍から銀河までの全体構造が解明されてきたが、BHコロナ領域や降着円盤の構造解明にはX線が不可欠である。特にXRISMの登場により、X線でも精密分光分野という未踏領域が開かれた。XRISM PV観測とCycle1の観測で数多くの重要な発見がある。本講演ではXRISMの最新の観測成果を紹介し、新たに判明してきたコロナ、BH Wind、BLR、Torusの多スケール構造や、巨大BHが銀河や銀河団に与えるインパクトについても議論する。

Speaker: Satoshi Yamada (RIKEN)

9 X線連星における降着円盤風によるX線偏向

IXPE衛星によるX線偏光観測はブラックホール降着流の幾何構造について制限をつけることが可能となった。しかし，さらなる詳細な幾何構造を知るためにはコロナや円盤からの偏光に加え，それらの外側に存在する円盤風などのガスによる散乱などの効果を考慮する必要がある。我々は低質量X線連星においてX線放射加熱・加速により円盤の外側で発生する円盤風からの散乱偏光についてモンテカルロ放射輸送シミュレーションによって計算した。散乱されたX線光子は，入射光子の角度分布に依存して最大で約10-20 %の偏光を示すことを明らかにした。さらに、エッジオン方向から観測されるために降着流からの直接光が円盤に遮蔽され、散乱成分が卓越すると考えられる天体V 395 Carについて、IXPEデータとの比較を行った。その結果、観測された偏光特性が本シミュレーションの予測と整合的であることが示され、X線連星において円盤風による散乱が降着流の幾何学的・物理的構造を制約するうえで重要な要因となることを示唆する。

Speaker: Ryota Tomaru (Osaka University)

12:05 Lunck

理論 / Theory

10 Theoretical Models of Accretion Disk Coronae in Active Galactic Nuclei

I will review the theoretical models of accretion disk coronae associated with active galactic nuclei that may account for some X-ray observational features.

Speaker: Norita Kawanaka (NAOJ / Tokyo Metropolitan University)

11 Observational Appearance of Accretion Flows, Relativistic Jets, and Coronae in Strong Gravity

In this talk, I will discuss the multi-wavelength appearance of high energy plasmas in the vicinity of black holes, i.e., accretion flows, relativistic jets, and coronae, which are studied via the numerical simulations taking into account the effects of general relativity.

Speaker: Tomohisa Kawashima (ICRR, U of Tokyo)

15:10 Break

環境 / Environment

12 Multi-phase gas structures of the AGN unveiled with near-infrared flux variability

"Gas structures around the AGN is important to understand both SMBH growth and galaxy evolution.
We here investigated the properties of two gas structures of active galactic nuclei (AGNs), i.e., dusty and dust-free gas components using line-of-sight dust extinction (Av) and the neutral gas column density (NH). We first established a new method to measure Av of the AGN based on near-infrared flux variability. We then separated NH of dusty and dust-free gas components by using Av derived in this study and NH based on X-ray observation, and statistically estimated the typical geometries of these gas structures and the effect of radiation pressure to them."

Speaker: Shoichiro Mizukoshi (The University of Tokyo)

13 Submillimeter gas/dust imaging of the AGN in NGC 1068 down to parsec scale

"Active galactic nuclei (AGN) are among the most energetic phenomena in the universe and play a fundamental role in galaxy evolution. The unified model of AGN has been widely accepted as an explanation for the diverse properties of AGNs. Recent mid-infrared observations have revealed a very compact (~1 pc), hot (>700 K), and optically thick dust ring that likely obscures the central engine of NGC 1068, a Type-II Seyfert galaxy. However, the full picture remains unclear due to the lack of spatially resolved observations of the substantial cold-to-warm gas and dust disks.

Here, we present initial results from ALMA Band 8-9 observations of the AGN in NGC 1068 with a spatial resolution down to 2-4 pc. We detected disk-like gas structures (r ~ 10 pc) around the AGN in CO(5-4) and CO(6-5). In contrast, the Band 8-9 continuum emission was detected not as an extended structure but as a compact component (r < 5 pc) centered at the AGN. Super-resolution reimaging further suggests an even more compact component (r < 2 pc), comparable to the mid-infrared hot dust ring. Radio-to-infrared spectral energy distribution (SED) fitting indicates that the continuum emission primarily arises from a combination of synchrotron radiation scattered by plasma (50-30%) and warm dust emission (50-70%) in Band 8-9. These findings suggest a different picture from the current torus model, where the submillimeter continuum emission may originate from compact warm dust coexisting with the hot dust in the torus and/or a much more compact source such as synchrotron emission from coronal gas."

Speaker: Akio Taniguchi (Kitami Institute of Technology)

14 サブパーセクスケールアウトフローの流体シミュレーションに基づくサブミリ波帯擬似観測

活動銀河中心核(AGN)における冷たいダスト熱放射より低周波の放射起源はよくわかっていない。特に電波で暗いAGNの放射起源として、サブパーセクスケールの電離ガス (Baskin & Laor 2021) 、降着円盤コロナ (Inoue et al. 2014, Michiyama et al. 2023) の寄与があると考えられているがこれらの関係は十分に解明されていない。それらは統一モデルにおける力学構造よくわかっていないことに起因する。我々は、輻射流体シミュレーションを用いて定常的なAGN光源が幾何学的に薄いダスト円盤を照射することによる輻射加熱と輻射圧が、ダストを伴う電離ガスアウトフローを形成することを示した (Kudoh et al. 2023, 2024)。本講演では、シミュレーションに基づく力学モデルからサブミリ波帯での自由自由放射を考慮した輻射輸送計算を行った結果を紹介する。

Speaker: Yuki Kudoh (Tohoku University)

15 UFOを伴うセイファート銀河からのcm波電波放射の起源

セイファートの電波放射の起源は未解明である。その一つの可能性として、降着円盤からの円盤風が提唱されている。我々は、円盤風と星間物質の相互作用で生じる衝撃波によって加速された宇宙線電子からのシンクロトロン放射をモデル化した。このモデルを用いて、UFOを持つ15の近傍セイファートの電波スペクトルを解析した結果、11天体のスペクトルは円盤風モデルでcm波データを説明可能であることが分かった。この結果は、円盤風と星間物質の相互作用がこれらの電波放射の起源であることを示唆している。本講演ではこれらの研究結果の詳細を説明するとともに、将来的な電波観測による円盤風モデルの検証可能性についても議論する。

Speaker: Nobuyuki Sakai (Osaka University)

16:50 Discussion

18:30 Banquet

Wednesday 12 March

10:00 Discussion for ALMA Proposal