カーティン大学が主導し、世界中の複数の電波望遠鏡と連携して実施された新しい研究は、ブラックホールジェットによって運ばれるエネルギーが非常に驚くべきものであることを示しています。そのパワーは太陽10,000個分に相当します。ブラックホールが宇宙の大規模な構造をどのように再形成するかについての長年の理論は、重要な観測的裏付けを得てきました。
論文は「Nature Astronomy」に掲載されました。研究チームは、最初に確認されたブラックホールと巨大な超巨星を含む有名なX線連星系「はくちょう座X-1」を標的とした。観測結果によると、このシステムによって生成されるジェットは、瞬間的なエネルギー出力の点で太陽約1万個分のエネルギーに匹敵することが示されています。
この測定を達成するために、科学者たちは世界中に分散した電波望遠鏡を接続し、「地球規模の開口」を備えた観測アレイを構築し、軌道周期中のジェットの微妙な変化を非常に高い角度分解能で捉えました。研究によると、ブラックホールが伴星を周回すると、超巨星の強力な恒星風が継続的にジェットに影響を与え、強風が噴水の水柱を乱すのと同じように、ジェットの方向が偏向し、軌道が揺れるという。
恒星の風の強さとジェットの偏向を同時に分析することにより、チームは、これまでのように数千年にわたる長期平均推定を行うだけでなく、初めて「リアルタイム」スケールでジェットの出力を推測することができました。その結果、ブラックホール近くの物質が内部に落下する際に放出されるエネルギーの約10％が、高速のジェットによって放出され、周囲の環境に注入されることが示された。この比率は、宇宙の大規模な数値シミュレーションで長年にわたって一般的に使用されている仮定と非常に一致していますが、これまで直接の観測による検証は行われていませんでした。
この研究はまた、ジェット速度の重要なパラメーターも示しています。ジェット物質は光の速度の約半分、毎秒約15万キロメートル（約9万3千マイル）で放出されますが、この値は数十年にわたって正確に測定することが困難でした。この論文の筆頭著者で現在オックスフォード大学に勤務するスティーブ・プラブ博士は、恒星風に常に「押される」これらのジェットを鮮やかに「ダンシングジェット」と呼んで、連星の公転運動中に方向が絶えず変化するダイナミックな光景を描写している。
共著者の一人であるカーティン大学電波天文学研究所および国際電波天文学研究センターのカーティン支部のジェームス・ミラー・ジョーンズ教授は、これまでの技術的手法は主に非常に長い基線にわたるジェットの平均パワーを与えており、物質がブラックホールに落ちた瞬間に生成されるX線放射に対応させるのは困難だったと指摘した。この研究では、軌道周期中にジェットが恒星風によってどの程度曲がるかを継続的に追跡できるため、科学者はジェットのエネルギーとX線のエネルギーを同じ時間スケールで直接比較することができました。
ミラー・ジョーンズ教授は、恒星ブラックホールから超大質量ブラックホールに至るまで、ブラックホールの質量に関係なく、ブラックホール付近の物理過程は本質的に非常に類似していると理論が一般に考えていることを強調した。したがって、「はくちょう座X-1」のジェット出力のこの正確な測定は、さまざまなスケールのブラックホールジェットを理解するための重要な「アンカー」を提供し、太陽の1000万倍から1000万倍の範囲の質量を持つさまざまなブラックホールジェットモデルの校正に使用できます。
西オーストラリア州と南アフリカで建設中のスクエアキロメートルアレイ電波望遠鏡のような新世代の大型科学施設が稼働するにつれ、天文学者らは何百万もの遠方の銀河からのブラックホールジェット信号を検出できると期待している。研究チームは、「はくちょう座X-1」の今回のベンチマーク測定により、将来、これらの巨大なサンプルの全体的なエネルギー出力を数えて解釈する際に、ホスト銀河のガスや星形成、さらには大規模な宇宙構造に対するブラックホールのフィードバック効果をより正確に評価できるようになるだろうと述べている。
研究では、ブラックホールジェットは周囲の環境を変化させ、銀河の進化を形作る重要な物理メカニズムの1つであることが指摘されています。それらは銀河間空間にエネルギーと物質を注入し、新世代の星の形成を阻害または誘発することができ、したがって宇宙の歴史において「調整者」の役割を果たします。 「ダンシングジェット」を使ったこのパワー測定は、この巨視的な全体像に確固たる観測ベンチマークを追加し、宇宙の進化におけるブラックホールとそのジェットの中心的な役割についての人類の理解をさらに促進すると期待されている。