研究者らは世界中の電波望遠鏡からの20年分のデータを利用し、超大質量ブラックホールジェットのぐらつきを観察することでM87銀河の自転を確認した。この発見はブラックホール研究の大きな進歩を示します。 M87 銀河の中心にある超大質量ブラック ホールは、ブラック ホールの影を初めて撮影した写真で有名ですが、さらに初の出来事を生み出しました。ブラック ホールから放出されるジェットが振動することが示され、ブラック ホールが回転していることを直接証明しました。
傾斜降着円盤モデルの模式図。この図では、ブラック ホールの回転軸は上下にまっすぐであると仮定されています。ジェットの方向は円盤面に対してほぼ垂直です。ブラックホールの自転軸と円盤の回転軸との間のずれにより、円盤とジェットの前傾が引き起こされます。出典: Cui Yuzhu 他。 (2023)、IntouchableLab@Openverse、志江研究所
超大質量ブラックホールは、太陽の何十億倍も重く、光を含む周囲のすべてのものを食い尽くす怪物であり、内部から情報が漏れないため研究が困難です。理論的には、測定できる特性はほとんどありません。観測される可能性のある性質の 1 つはスピンですが、それに伴う困難のため、ブラック ホールのスピンの直接観測は行われていません。
20年間の観察により証拠が明らかになった
ブラックホールの回転の証拠を探すために、国際チームはM87銀河の20年以上の観測を分析した。この銀河は、おとめ座の方向に 5,500 万光年離れたところにあります。太陽の65億倍の質量を持つブラックホールが含まれています。 2019年にイベント・ホライゾン・テレスコープ（EHT）が捉えた最初のブラックホールの影画像もこのブラックホールです。周知のとおり、M87 の超大質量ブラックホールには降着円盤とジェットが存在します。前者はブラックホールに物質を送り込み、後者はブラックホール付近から光速に近い速度で物質を排出する。
(上) 2013 年から 2018 年まで 2 年ごとに平均した周波数 43GHz の M87 ジェット構造。対応する年が左上隅にマークされています。白い矢印は、各部分図のジェット位置角度を示します。 (下) 2000 年から 2022 年までに観測されたジェット方向の変化。緑と青の点はそれぞれ 22 GHz と 43 GHz での観測データからのものです。赤い線は、周期 11 年の最適な正弦曲線です。出典: YuzhuCui ら(2023年)
研究チームは、東アジア VLBI ネットワーク (EAVN)、超ロング ベースライン アレイ (VLBA)、KVN および VERA 複合アレイ (KaVA)、東アジアからイタリア近世界 (EATING) VLBI ネットワークによって収集された 170 の期間のデータを分析しました。世界中の 20 を超える電波望遠鏡が研究に貢献しました。
研究成果と意義
その結果、太陽系内の重力相互作用が地球を前方に傾けるのと同じように、降着円盤とブラックホールのスピンの間の重力相互作用がジェットの基部をぐらつかせ、つまり前方に傾けることを示した。研究チームは、ジェットのダイナミクスを中心の超大質量ブラックホールと結びつけることに成功し、ブラックホールが実際に回転しているという直接的な証拠を提供した。ジェットの方向変化は約 10 度、前進推力周期は 11 年であり、これは国立天文台 ATERUIII によるスーパーコンピューター理論シミュレーションと一致しています。
「私たちはこの重大な発見に興奮しています」と論文の筆頭著者である崔玉珠氏は語った。崔玉珠は国立天文台の大学院生で、その後浙江研究所で博士研究員として働いていました。ブラックホールと星円盤のずれは比較的小さく、活動期間は約11年であるため、20年以上にわたってM87の構造を追跡する高解像度データの蓄積と詳細な解析がこの成果を達成する鍵となります。 」
国立天文台の羽田和宏博士は、「EHTを使ってこの銀河のブラックホールの撮影に成功して以来、このブラックホールが回転しているかどうかが科学者の焦点となっていた。今、その期待が確実になった。この怪物ブラックホールは確かに回転している」と説明した。
東アジアVLBIネットワーク活動銀河核科学ワーキンググループのコーディネーターである工学院大学の木野元樹博士は、「これは、世界中の45機関の国際研究者チームによる長年の共同観測を通じてついに明らかになった刺激的な科学的マイルストーンです。私たちの観測データは単純な正弦波と良く一致しており、ブラックホールとジェットシステムの理解に新たな進歩をもたらしています。」と述べた。