超大質量ブラックホールの周囲を取り巻く回転するドーナツ状の分子ガス

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活発な超大質量ブラックホールを取り巻く、回転するドーナツ状のガス雲

渦巻銀河「M77」の中央部
M77の中央部と銀河中心に位置する超大質量ブラックホールを取り巻くガスの分布
(左)ハッブル宇宙望遠鏡が撮影した渦巻銀河「M77」の中央部。(右)そのさらに中心部分を観測したアルマ望遠鏡がとらえた、超大質量ブラックホールを取り巻くガスの分布(提供:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope and A. van der Hoeven)

活発な超大質量ブラックホールの周囲を取り巻く、回転するドーナツ状の分子ガスがアルマ望遠鏡でとらえられました。このようなガス雲の存在は古くから提唱されていましたが、観測で直接確認されたのは初めてのことです

ほぼすべての銀河の中心には、太陽の数十万倍から数億倍の質量をもつブラックホールが存在すると考えられています。また、これら超大質量ブラックホールの質量とその母銀河全体の質量に相関があることも知られています

超大質量ブラックホールと銀河は互いに影響を及ぼしあいながら進化(共進化)してきたと考えられていますが、銀河全体に対する超大質量ブラックホールの大きさは100億分の1と極めて小さいため、両者が具体的にどのように影響を及ぼしあっているのかは、まだよくわかっていません

共進化を理解するうえで重要なのが、今まさに大量の物質を飲み込んで成長中の超大質量ブラックホールです。こうしたブラックホールの周囲は、落下してくる物質の重力エネルギーを光に変えて活動銀河核として明るく輝いています。活動銀河核からは非常に強い光だけでなく高速のガス流が噴き出すこともあり、これらが周囲の銀河環境に大きな影響を与えると考えられていることから、活動銀河核は共進化の謎を解く鍵となる天体と言えます

国立天文台および総合研究大学院大学の今西昌俊さん、中西康一郎さんたちの研究チームは、アルマ望遠鏡を用いて、くじら座の渦巻銀河「M77」の中心部を詳細に観測しました。M77は地球から約5000万光年の距離に位置しており、活動銀河核を持つ銀河としては比較的地球に近いことから、観測研究に適した天体です

その結果、M77中心の超大質量ブラックホールの周りを大きく取り巻く半径約700光年の馬蹄形をしたガス雲と、超大質量ブラックホールを包む半径約20光年のコンパクトなガス雲が明瞭に写し出されました

さらに、ガス分子が放つ電波のドップラー効果を測定したところ、コンパクトなガス雲が超大質量ブラックホールを中心に回転している様子が明瞭にとらえられました

M77中心の超大質量ブラックホール
M77中心の超大質量ブラックホールを取り巻くガス雲の運動。私たちに近づく方向に動くガスを青、遠ざかる方向に動くガスを赤で表現(提供:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.)

「活動銀河核の様々な特徴を自然に説明できることから、多くの研究者が、超大質量ブラックホールの周りをガスと塵の雲がドーナツ状に取り巻いているという『活動銀河核の統一モデル』を考えてきました。地球からはドーナツ状のガス雲は非常に小さくしか見えないので、その姿をはっきりととらえ、広がりやガスの動き、化学的性質などを調べることはこれまで困難でしたが、高い解像度を持つアルマ望遠鏡の登場により、直接観測して調べられるようになりました」(今西さん)

ドーナツ状のガス雲の想像図
M77中心の超大質量ブラックホールを取り巻くドーナツ状のガス雲の想像図(提供:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

今回の研究では、高密度のガス雲で強く電波を出すことが知られているシアン化水素分子とホルミルイオンからの電波を観測しています。過去にはM77中心部からの一酸化炭素分子からの電波が観測され、今回の結果とは90度異なる方向に動くガスがとらえられていたものの、「回転するドーナツ状のガス雲が存在する」という統一モデルの立証には至っていなかったのです。回転運動を反映する適切な分子からの電波を選んで観測したことが、今回の成果につながっています。「これまでの観測から、ドーナツ状の塵やガス雲が東西方向に広がっていることは確かであり、私たちのデータは、その分布から期待される回転の様子とよく一致します」(今西さん)

このほか、ドーナツ状のガス雲からの分子ガス輝線の強度が、ブラックホールをはさんだ東西で大きく異なっていること、ガスの運動は超大質量ブラックホールの重力だけに従う整った回転だけでなく、かき乱されたようなものがあることもわかりました。これらはM77の中心部に別の銀河が衝突した名残かもしれないと考えられます

アルマ望遠鏡が明らかにしたM77の活動銀河核の様子は、単純な「統一モデル」よりも複雑なものだったが、予測されていた「回転するドーナツ状のガス雲」の存在が観測ではっきりと確かめられたことには大きな意義があります。活動銀河核のエンジンである超大質量ブラックホールとそれを取り巻くガスの関係、そしてそれらを含む銀河全体との関係を一体的に理解するための確かな一歩となる成果です

2018年2月15日
AstroArtsより

ブラックホールの自転

Posted by moonrainbow on 03.2018 ブラック・ホール   0 comments   0 trackback
ブラックホールの自転が高速ジェットの形成に与える影響

超大質量ブラックホールの周りにある降着円盤の想像図
超大質量ブラックホールの周りにある降着円盤の想像図(提供:国立天文台)

多数の超大質量ブラックホールの解析により、ブラックホールの自転が宇宙の遠方から届く電波の源である高速ジェットの形成に影響している可能性が示されました

多くの銀河の中心には、太陽の数百万倍以上もの質量を持つ超大質量ブラックホールが存在しています。ブラックホールは光を含めすべての電磁波を吸収するため、その姿を直接見ることはできないですが、ブラックホールに向かって落ち込みながら超高温になる物質がブラックホールの周囲に作る降着円盤からの光は見えます

降着円盤を持つブラックホールは電波を放つ「クエーサー」として観測されます。なかでも、全体の1割程度しか存在していない強い電波を放つクエーサーは、降着円盤内の物質の一部がブラックホールに落ち込まず、ブラックホールの両極から高速のジェットとして吹き出していると考えられています。しかし、どのようにジェットが形成されるのかはまだ解明されていません

国立天文台のAndreas Schulzeさんたちの研究チームは8000個近くのクエーサーについて、ブラックホールの周囲と降着円盤から放射された酸素イオンの光の強さを測定しました。その結果、強い電波を放つクエーサーはそうでないものに比べて酸素イオンの光が平均で1.5倍ほど強いことが明らかになりました。酸素イオンの光の強さは中心にあるブラックホールの自転速度と関係があるため、今回の結果はブラックホールの自転がジェットの形成に重要な要素である可能性を示すものといえます

「この研究結果は、電波が強いクエーサーと弱いクエーサーの違いがブラックホールの自転だけで決まっているという意味ではありません。しかし、自転を抜きに考えることができないことは確かです。宇宙の遠方から届くブラックホールという怪物の声の大きさを、その自転速度が決めている可能性があるのです」(Schulzeさん)

2018年1月19日
AstroArtsより

「はくちょう座V404星」のブラックホール

Posted by moonrainbow on 21.2017 ブラック・ホール   0 comments   0 trackback
計算値よりはるかに弱かった「はくちょう座V404星」のブラックホールの磁場

はくちょう座V404星」の想像図
「はくちょう座V404星」の想像図。ブラックホールから噴出する両極ジェットと磁力線が描かれている(提供:Michael McAleer/UF News)

地球から8000光年の距離に位置する直径60kmほどのブラックホールの周囲の磁場が初めて正確に計測され、磁場の強さが過去の計算値の400分の1ほどであることが明らかになりました

地球から8000光年の距離に位置する「はくちょう座V404星」は、太陽のような恒星とブラックホールとの連星系で、2015年にアウトバースト(爆発的な増光)を起こしました

米・フロリダ大学のYigit Dalilarさんたちの研究チームは、スペイン領カナリア諸島ラ・パルマ島のロケ・デ・ロス・ムチャーチョス天文台内にある口径10.4mカナリア大望遠鏡で、この連星のアウトバーストを観測しました。Dalilarさんたちが観測したような小規模なジェットを発生させるブラックホールで起こるアウトバーストは、突然起こり長くは続かない現象であり、2015年の場合もたった2~3週間しか続かなかった。同ブラックホールで同様の現象が過去に発生したのは1989年のことです

観測データをもとにアウトバーストの放射が衰える速度を各波長で比較し、放射領域の大きさを絞り込んだり、磁場を計測したりしたところ、磁場の強さは過去の計算値の約400分の1と驚くほど小さいことが明らかになりました

磁場の計測は、ブラックホールの磁場の働きを理解し、究極の物理環境における物質のふるまいに関する知識を深めることに役立ちます。また、ほとんどすべての物質がブラックホールに吸い込まれる一方で、どのようにして光速に近い速度でジェットの粒子が噴出するのかという半世紀にわたる問題の解決の一助になるでしょう

「私たちの結果は理論モデルに新たな制限を与えます。これまでのモデルは、ジェットの流れを加速したり誘導したりする強い磁場に焦点を当てたものでした。計測結果は予想外であり、私たちが知っていると思っていた多くの事柄が修正されることになります」(米・フロリダ大学 Stephen Eikenberryさん)

2017年12月15日
AstroArtsより

最も遠い距離にある超大質量ブラックホール

Posted by moonrainbow on 19.2017 ブラック・ホール   0 comments   0 trackback
観測史上最も遠い超大質量ブラックホールを発見

クエーサーの中心部にある超大質量ブラックホールの想像図
クエーサーの中心部にある超大質量ブラックホールの想像図(提供:Robin Dienel / Carnegie Institution for Science)

これまで観測された中で最も遠い距離にある超大質量ブラックホールが見つかりました。宇宙誕生から間もない「暗黒時代」でこの種の天体が見つかるのは初めてのことです

多くの銀河の中心部には質量が太陽の数百万倍から数億倍という非常に重いブラックホールが存在します。このような銀河の中には、中心ブラックホールが周りの物質を大量に吸い込んで強い電磁波やジェットを放つような活動的なものがあります。特に、地球から数十億光年以上という非常に遠い距離にあって銀河本体と同じくらい明るい光を放つものはクエーサーと呼ばれており、初期宇宙を理解する上で重要な天体です

チリ・カーネギー天文台のEduardo Bañadosさんたちの研究チームはNASAの赤外線天文衛星WISEが観測した数億個の赤外線天体のデータと地上の望遠鏡の観測データとを組み合わせ、まだ知られていない遠距離の天体候補を探してきました。有力な候補天体はカーネギー天文台のマゼラン望遠鏡で確認観測され、距離が求められました

その結果Bañadosさんたちは、うしかい座の方向に、赤方偏移の値が7.54のクエーサーを発見しました。遠い天体からの光は地球に届くまでの間に宇宙膨張によって波長が伸び、赤い方にずれます。この波長のずれの度合を表すのが赤方偏移で、値が大きいほど天体までの距離が遠いこと、より昔の宇宙に存在する天体を観測することになります。これまで観測されていた最遠のクエーサーは赤方偏移が7.09であり、今回の天体はこれを超えるクエーサーの最遠記録となります

さらに、このクエーサーの周囲に存在する水素ガスは電離していない中性水素が大半を占めることがわかりました。つまり、最も遠い(最も古い)だけでなく、宇宙が「再電離」した時期よりも古いクエーサーが初めて見つかったことになります

ビックバンから40万年ほど経つと、プラズマ状態だった陽子と電子の温度が下がって互いに結合し、中性の水素原子が作られます。この時代には光を放つ天体はまだ生まれておらず、中性の水素原子とヘリウム原子からなるガスが宇宙を満たしていました。この時期を宇宙の「暗黒時代」と呼び、数億年ほど続いたと考えられています。やがて重力によってガスが集まって収縮し、最初の恒星や銀河が作られました。これら第一世代の銀河が放出する紫外線によって中性水素は再び完全に電離されました。このイベントが宇宙の「再電離」です。銀河間物質として今も希薄に存在する水素ガスは、この再電離の時代から今日まで、電離したままの状態で存在しています。「再電離は宇宙史の中で最後に起こった大転換で、現在の天体物理学研究の最前線の一つです」(Bañadosさん)

今回の発見は超大質量ブラックホールとしても最も遠い(最も古い)ものになり、その質量は太陽の約8億倍と見積もられています。赤方偏移7.54は宇宙が誕生してからわずか6億9000万年しか経っていない時代に対応し、ブラックホールが初期宇宙でこれほど大きくなるためには何か特別な条件があるはずですが、その詳細は謎のままです。「宇宙年齢のわずか5%しか経っていないような初期宇宙にこれほど重いブラックホールが存在するのは予想外です。これまで考えられてきたブラックホールの形成理論を見直すべきかもしれません」(NASA JPL Daniel Sternさん)

研究者たちは今回のクエーサーと同じような距離・明るさのクエーサーが20~100個ほど存在するはずだと見積もっています。今後打ち上げが予定されているヨーロッパ宇宙機関の探査機「ユークリッド」やNASAの「WFIRST(広角赤外線サーベイ望遠鏡)」によって、暗黒時代のクエーサーがさらに見つかり、再電離以前の初期宇宙について多くの謎が明らかになることが期待されます

2017年12月11日
AstroArtsより

「重力よりも強い」光の力が支配する超大質量ブラックホール

Posted by moonrainbow on 11.2017 ブラック・ホール   0 comments   0 trackback
「重力よりも強い」光の力が支配する超大質量ブラックホール近傍

ガスと塵に覆い隠された銀河中心の超大質量ブラックホールの想像
ガスと塵に覆い隠された銀河中心の超大質量ブラックホールの想像図(提供:NASA)

400個の活動銀河核の分析から、銀河中心の超大質量ブラックホールを取り巻くガスや塵はブラックホールのごく近傍に位置しており、その配置は主に中心部から発生する電磁波の放射圧で決まることが明らかになりました。ブラックホールが急速に物質を吸引し、光の放射圧が重力よりも強くなると、ガスが吹き飛ばされてしまうためブラックホールは太り続けることができなくなるという

銀河のなかには、その中心核から広い波長範囲で太陽の10億~1000兆倍もの莫大な電磁波エネルギーを放射しているものがあります。こうした「活動銀河核」の正体は、太陽の10万~100億倍の質量をもつ超大質量ブラックホールです。ブラックホールに周囲の物質が落ち込むと強い重力によってガスが高温に熱せられ明るく輝き、吸い込まれる直前のガスは電磁波を放射します

ガスを吸い込んだブラックホールは質量が増えて重くなる(成長する)と推定されますが、そのガスがどこにあり、どのような形で分布しているのか、その起源は何なのかといった、ブラックホールの成長メカニズムを知る上で不可欠な基本的な問題は、長年の謎です

チリ・カトリカ大学のClaudio Ricciさん、京都大学の上田佳宏さんたちの研究チームは、多数の活動銀河核のサンプルから統計的な性質を調べました。たとえば、全サンプルにおける隠された活動銀河核の割合がわかれば、ブラックホールを隠しているガスや塵の平均的な立体角を推定することができます

研究チームは、NASAのガンマ線観測衛星「スウィフト」による全天探査で作られたカタログに含まれる400個の活動銀河核について、光度(ブラックホールからの放射エネルギーの強さ)やブラックホールを隠している視線方向にあるガスの量、ブラックホールの質量を求めました。解析には日本のX線天文衛星「すざく」などのデータも利用されています

データ解析の結果、「ブラックホール質量に対する光度の比」が大きくなるほど、ブラックホールを覆い隠しているガスの量が減っていることがわかりました。周囲のガスの分布を決定する要因は、単位時間あたりにブラックホールが吸い込むガスの量であることを、世界で初めて明らかにしたものです

この結果は、ガスの分布が、ブラックホールからの強い重力(吸い込まれる方向に働く)と、そこから放射される光の力(放射圧:外に押し出す方向に働く)とのせめぎあいで成り立っていることを意味します。また、ガスの大部分がブラックホールの重力圏内、すなわち数光年~数十光年という近傍にあることも示唆する結果です

これらの発見は、超大質量ブラックホールがどのように成長をとげてきたかという物理メカニズムを理解する上で鍵となるものです。たとえば、小さな(重力の弱い)ブラックホールが急速に周囲のガスを吸い込んだ結果、その光度がブラックホール質量に対して相対的に大きくなると、光度の絶対値が小さかったとしても周囲のガスは放射圧で吹き飛ばされてしまいます。するとブラックホールに落ち込む予定だったガスが枯渇し、ブラックホールの食べる「餌」もなくなってしまうことになります。超大質量ブラックホールの成長には、このような自己制御(輻射フィードバック)が働いていることが強く示唆されます

開発中のX線天文衛星XARMでは超大質量ブラックホールを覆い隠すガスの運動が高精度で測定できるようになります。ガスに対するブラックホールの重力と放射圧の影響を直接調べることで、物理状態の理解が飛躍的に進むと期待されます

2017年10月4日
AstroArtsより
 

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