地球や太陽は自転し、天の川も自転するので、ブラックホールも自転するのでしょうか？ 50年以上物理学者を悩ませてきたこの問題は、最近中国の科学者グループ率いる国際協力チームによって解決された。彼らは、M87 銀河のジェットの歳差運動周期が約 11 年であると計算し、M87 ジェットの方向が変わらないというこれまでの印象を打ち破っただけでなく、ブラック ホールの回転に関する最も強力な証拠も入手しました。


9月27日深夜、世界トップクラスの学術誌「ネイチャー」がこの大ヒット発見をオンラインで掲載した。アニメーション シミュレーションでは、M87 ブラック ホールが止まりかけているコマのように回転し、深宇宙で揺れながら回転します。これらすべては人々の現在の基本的な必需品とは何の関係もないように見えますが、おそらく人類は将来星間旅行をするときにこの瞬間を思い出すでしょう。

いくつかの「異常な」データが探索のインスピレーションを引き起こす

広大な宇宙には、活動銀河の中心に超大質量ブラックホールがあります。約100年前にアインシュタインによって予言されたこの神秘的な天体は、2019年についに初めてシルエットで撮影されました。

質量とスピンは、ブラック ホールの 2 つの基本パラメーターです。現在、ブラックホールの質量を推定するための成熟した方法は存在しますが、ブラックホールが回転するかどうかはまだ謎です。

1963 年、天文学者はブラック ホールのスピンの存在を理論的に証明しました。 2016 年の重力波の発見は、「ブラック ホールの回転」の間接的な証拠を提供しました。2 つのブラック ホールが回転して合体すると、周囲の時空を引きずり、重力波の「時空の波紋」を引き起こします。

では、どうすればブラックホールの回転のより直接的な証拠を得ることができるのでしょうか? 2017年、国立天文台/日本大学院大学で博士課程に在籍していた崔玉珠氏が、M87銀河の中心ブラックホールにある東アジア超長基線干渉（VLBI）観測網のジェットデータを処理していたところ、2017年のM87のジェット構造が以前の構造とは異なる方向を向いていることを発見した。


▲2013年から2020年まで2年ごとに合体したM87ジェット構造（観測周波数帯域は43GHz）。対応する年が左上隅に表示されます。白い矢印は、各部分図のジェット軸の方向を示します (異なるジェット位置角度を表します)。 (YuzhuCuietal.2023)

ブラックホールの周囲の物質がブラックホールに吸い込まれると、非常に明るい光を発し、降着円盤と呼ばれる光沢のある平らな円盤のように見えます。物質がブラックホールに吸い込まれると、物質が運ぶ巨大な角運動量が最終的にジェットの形でブラックホールから放出されます。これにより、ブラック ホール、降着円盤、ジェットが巨大な宇宙の頂上のように見えます。

「M87 のブラック ホール ジェットは非常に明るく、長さは 5,000 光年あります。以前は、誰もがそのジェットの角度が一定であると常に考えていました。」崔玉珠氏はそう語ったが、ジェットの角度が実際にはこれまで知られていたものとは異なることがいくつかのデータで示されている。

これは観測ミスなのか、それともジェットが回転しているということなのでしょうか？この疑問を抱いて、崔玉珠氏は、2000年から2022年までの国際VLBI観測ネットワークからM87ブラックホールの170件の観測データを調査し、その角度が実際に変化していることを発見した。

その結果、世界 10 か国の 45 機関の 70 人以上の同僚が崔玉珠氏と協力して、関連データを整理、分析、シミュレーションしました。 6年間の懸命な研究の末、彼らは最終的にM87ジェット機が約11年の周期で「目に見えない軸」の周りを回転すべきであると決定した。 M87の中心にあるブラックホールはスピン状態にあるはずです。

雲南大学中国西南天文学研究所の准研究員であるリン・ウェイカン氏は、コンピューターのデータフィッティングを通じて、ジェットの方向の周期的変化はブラックホールの回転軸と非常に一致していると述べた。 「これはブラックホールのスピンの存在を直接証明します。」

数十年にわたる VLBI の観察により蓄積された知識がもたらされました

人間が知っている宇宙では、M87 は恒星銀河です。それは大きく、質量は太陽の約65億倍です。地球に近く、わずか 5,500 万光年しか離れていないため、天文学者にとって観測に最適な天体の 1 つです。 1918 年には人々が M87 のジェットを発見し、ジェットを発見した宇宙初の天体となりました。

それ以来、M87 ジェットは地球上の主要な電波望遠鏡による観測の対象になりました。特に、世界的な電波望遠鏡ネットワークが VLBI 観測網を確立して以降、M87 の観測データの精度は向上し続けています。この研究で使用されたデータは、VLBI 観測ネットワークの中で最大のタイム スパンと最大のデータ量を持っています。


▲東アジアVLBIネットワークとイタリア・ロシアの電波望遠鏡で構成されるEATING観測ネットワークにおける本稿参加望遠鏡の分布（YuzhuCuietal.2023、IntouchableLab@Openverse、Zhijiang Laboratory）

「今回発見された重要なデータは主に東アジアVLBIネットワークの精度向上の恩恵を受けており、上海市佘山の天馬望遠鏡と新疆南山の26メートル電波望遠鏡が主要なデータに寄与した。」崔玉珠氏は記者団に対し、国内の同僚計26人がこの研究に参加したと語った。

上海天文台は 1986 年に佘山 25 メートル電波望遠鏡を建設し、1991 年に欧州 VLBI ネットワークのコンソーシアムメンバーとなり、1998 年には国際 VLBI ネットワークの観測に参加しました。2017 年には 65 メートルの天馬望遠鏡が完成し、国際 VLBI ネットワークに加わりました。中国科学院上海天文台の沈志強所長は、天馬望遠鏡の高感度によりネットワーク全体の観測能力が向上し、「特に東アジアのVLBI観測ネットワークの画質が約50％向上した」と述べた。

新疆天文台の南山望遠鏡は、その独特な地理的位置により、東アジア VLBI 観測ネットワークのネットワーク直径を 3,000 キロメートルから 5,000 キロメートルに拡大しました。中国科学院新疆天文台の研究者崔朗氏によると、この直径26メートルの電波望遠鏡は2017年に東アジアのVLBIネットワークに参加し、関連する観測に毎年300時間を費やしているという。

わずか2週間前、上海天文台の西雅40メートル電波望遠鏡の建設が始まり、新疆天文台の斉台110メートル電波望遠鏡も建設中である。沈志強氏は、「将​​来的には、これらの新星の追加により観測能力がさらに強化され、天文学者が宇宙のさらなる謎を発見するのに役立つだろう」と述べた。

ブラックホールのスピンに関する徹底した研究の新たなマイルストーンを開く

過去には、米国超長基線アレイ (VLBA) による M87 ジェットの年間観測により、誰もが M87 の多くの物理的特性を理解することができました。彼らは、M87 については十分に知っていると考え、徐々に観測時間をキャンセルし、他の観測対象に目を向けました。中国の科学者らによる発見を受けて、M87ジェット機の長期監視計画を再開することになった。

シミュレーションアニメーションでは、M87ブラックホールの回転方向が地面に対して垂直であると仮定すると、その降着円盤は地面に対してある角度をなすジャイロのようなもので、揺れるジャイロ軸は長さ5000光年のジェットです。ただし、ジャイロスコープとは異なり、降着円盤の運動の中心は中心にあるブラック ホールです。

「これは非常に美しくクリーンな結果であり、また非常に基本的かつ重要な発見でもあります。」米国のコーネル大学教授で上海交通大学リー・ツンダオ研究所のツンダオ客員教授であるライ・ドン氏は、イタリアと米国の両国が天体の時空抗力効果を特異的に検出するために衛星を打ち上げたが、失敗に終わったと述べた。 「ブラックホールスピンの存在の証明は、この効果に関する研究に大きな推進力をもたらすでしょう。」

現在、Cui Yuzhu は Zhijiang Laboratory の博士研究員です。彼女は、ブラックホールの回転に関する最も強力な証拠を入手した後でも、より詳細な研究を必要とする一連の疑問がまだ残っていると述べた。それは、M87 ブラックホールの回転速度はどれくらいかということである。ブラックホールのスピンは普遍的なものなのでしょうか?ブラックホールを回転させる外力はどこから来るのでしょうか?また、ブラックホールジェット生成の鍵となるのはスピンである可能性が高く、ブラックホール物質ジェットのメカニズムの研究に新たな視点をもたらすでしょうか？これらすべては、彼女と多くの同僚が答えを見つけるのを待っています。