天文学者の国際研究チームは最近、遠方のブレーザー PKS 1424+240 の長年の謎を解明することに成功したと発表しました。これにより、この天体がジェットの動きが遅いように見えるにもかかわらず、観測された中で最も明るい高エネルギーガンマ線と宇宙ニュートリノの 1 つを生成できる理由が説明されました。関連する結果は、6 月 6 日付けの Astronomy & Astrophysics Letters に掲載されました。
PKS 1424+240 は地球から数十億光年離れていますが、天文学界では長い間よく知られていました。それは、非常に高エネルギーのガンマ線の重要な源であると同時に、現在空で知られている最も明るいニュートリノ ブレーザーの 1 つでもあります。これは、IceCube ニュートリノ天文台の 9 年間のニュートリノ全天マップの中で最も顕著な高エネルギーピークの 1 つに対応します。研究チームは、この研究は単一の天体に関連しているだけでなく、現代の高エネルギー天体物理学の中核問題、つまり極限の宇宙物体がどのようにして粒子を極めて高いエネルギーまで加速し、同時に極めて高いエネルギーの光子とニュートリノを生成するのかを直接指摘していると指摘した。
ブレーザーは活動銀河核の一種であり、その中心は超大質量ブラック ホールによって駆動されます。ブラックホールは周囲の物質を飲み込みながら、その回転軸に沿って極に向かってほぼ光の速度でプラズマジェットを放出します。他の活動銀河核と比較して、ブレーザーの特別な点は、ジェットの 1 つがほぼ地球に面しており、電磁帯域全体で非常に明るく見えることです。また、宇宙の最も極端な物理過程を研究するための自然の「実験室」を科学者に提供します。一部の科学者は、PKS 1424+240 は、その画像の幾何学的構造と地球に向けられたジェットにより、深宇宙の「サウロンの目」に似ていると説明しています。
理論的な予想によれば、最も明るいガンマ線ブラーは、電波観測では非常に速く動いているように見えるジェット構造を伴うことがよくあります。しかし、PKS 1424+240の無線観測では、そのジェット機が異常に遅いように見えることが示され、この矛盾は「ドップラー因子危機」として知られる長期にわたる議論の一部となった。真相を解明するため、研究チームは米国本土、ハワイ、セントクロイ島にある計10基の無線アンテナで構成される超長基線アレイ（VLBA）から15年分の観測データを取得し、分析した。
科学者たちは、超長基線干渉法 (VLBI) テクノロジーを使用して、広範囲に分散された電波望遠鏡からの信号を共同処理します。これは、「地球口径」の仮想望遠鏡を使用して非常に高い角度分解能を得るのと同じです。研究チームは、合計 42 枚の電波画像と 2009 年から 2025 年の間に取得された偏光情報を組み合わせて、これまでよりも深く、より詳細なジェット機のビューを構築しました。これらの観測は、長期プロジェクト MOJAVE (VLBA による活動銀河核ジェットの監視) の一部であり、このプロジェクトは、活動銀河ジェットの明るさ、偏光、磁場構造を系統的に研究し、超大質量ブラックホール付近の活動が高エネルギー放射線やニュートリノ生成とどのように関連しているかを理解することを目的としています。
「この画像を再構成したとき、それはただただ驚くべきものでした」と筆頭著者のユーリ・コバレフ氏は語った。彼はMu SESプロジェクトを率い、現在はマックス・プランク電波天文学研究所に所属している。 「私たちはそのような光景を見たことがありません。ほぼ完璧な環状（リング状）の磁場構造を伴って、ほぼ私たちに向かってジェット機が飛んでいるのです。」結果は、地球がこのジェットの軸のほぼ真上にあり、その視線の角度が 0.6 度未満であることを示しています。言い換えれば、人間はジェット機の進行方向をほぼ真っ直ぐ見ていることになります。
この幾何学構造が謎を解く鍵となった。ジェットはほぼ正確に地球に向けられているため、相対性理論におけるドップラー増光効果により、私たちの方向の見かけの明るさが大幅に増加します。この研究では、この効果により放射線が約30倍に増幅されると同時に、投影効果により電波画像ではジェットが実際よりも遅く動いているように見え、古典的な「目の錯覚」を引き起こす可能性があることが判明した。共著者で同じくマックス・プランク電波天文学研究所のジャック・リビングストン氏は、この配列は明るさの極端な増加を説明するだけでなく、「ジェット機が遅すぎる」という長年の問題も自然に解決すると指摘した。
ほぼ「正面から」の視点は、科学者にジェット内の磁場の詳細を垣間見る貴重な機会も提供します。研究チームは、偏波された無線信号の助けを借りて、ジェット内に明確なリング状（ドーナツ状）の磁場成分を検出しました。これは、ジェット内に連続的な電流が存在し、その磁場がジェットの放出、コリメーション、および安定性に重要な役割を果たしていることを示しました。研究者らは、この繊細な磁気構造が、高エネルギーのガンマ線やニュートリノを生成するのに十分な高さまで粒子を加速する重要なメカニズムの 1 つである可能性があると推測しています。
「この問題を解明すると、超大質量ブラックホールを含む活動銀河核が高エネルギー電子の強力な加速器であるだけでなく、陽子加速の天然工場でもあることがさらに確認される。これが私たちが観測する高エネルギーニュートリノの源である。」コバレフ氏は強調した。この研究は、欧州研究評議会が資金提供する MuSES (マルチメッセンジャー高エネルギー研究) プロジェクトの一部であり、活動銀河核がどのように粒子を加速し、光やニュートリノなどのさまざまな宇宙信号に痕跡を残すかを探ることに焦点を当てています。科学界は一般に、陽子の加速プロセスとニュートリノの生成の間の正確な関係を解明することが、今日の天体物理学における最も重要な未解決の問題の 1 つであると信じています。
最新の結果は、ジェットが「遅い」ように見えるにもかかわらず、一部のブレーザーが非常に明るい高エネルギー放射線を放出できる理由を説明するだけでなく、よりマクロなレベルでのいくつかの重要な物理的要素（相対論的ジェット、磁場構造、ガンマ線、高エネルギーニュートリノ）間の関係を強化することもできる。研究チームは、この発見は宇宙で最も強力な天然粒子加速器を理解するための新たな手がかりを明らかにし、マルチメッセンジャー天文学に重要な啓発を提供すると述べた。光子やニュートリノなどの複数の「メッセンジャー」を共同分析することで、人類は宇宙の極端な現象の真の姿をより包括的に復元できると期待されている。