東部時間2019年4月、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）共同チームは人類史上初めてブラックホール画像を公開し、これまで直接観測されたことのない天体をはっきりと映し出した。今回、多国籍の天文学者チームが、NASA のチャンドラ X 線天文台を使用して、同じ超大質量ブラック ホール M87* のプラズマ ジェットの「これまでで最も詳細な X 線画像」を取得しました。
プレプリントプラットフォームarXivに掲載された最新の論文によると、研究者らはチャンドラ望遠鏡からの長期観測データをどのように利用して、この巨大な宇宙ジェットの進化を10年以上の規模で追跡したかを詳しく説明しており、時間の経過に伴う壮大な宇宙構造の変化を研究する天文台のユニークな能力を強調している。 M87* は、地球から約 5,500 万光年離れたおとめ座銀河団にあります。周囲の物質はブラックホールの強い重力に捕らえられ、熱い降着円盤を形成します。ブラックホールの回転と磁場の影響を受けて、数千光年にわたって伸びる高エネルギーのジェットが生成されます。
天文学の標準モデルでは、超大質量ブラックホールが周囲のガスや塵を飲み込むと、その物質の円盤がブラックホールの周りに高温の回転する降着円盤を形成すると考えられています。ブラック ホールの強力な重力と高速回転が周囲の磁場を歪め、磁場を 2 つの極で巻き上げてビームにします。これらのコイル状の磁場は「粒子加速器」となり、銀河の外に高エネルギーの粒子ジェットを絶えず放出しているようです。 NASA のデータによると、M87* ジェットの長さは 3,000 光年以上で、光速に近い相対論的速度で宇宙の深部に突入し、電波から X 線までのさまざまな波長帯をカバーする放射線を放出しています。
この研究は、カナダのラヴァル大学理工学部の博士課程学生であるカミーユ・ポワトラス氏によって主導されました。研究チームは、高度な X 線画像処理技術を使用して、2012 年から 2025 年の間にチャンドラによって取得された複数の M87* ジェット観測データを合成および再構成しました。伝統的に、X 線イメージングは、ブラック ホール ジェットのさまざまな構造を研究するために、電波、光学、赤外線観測と組み合わせられてきました。電波望遠鏡は、ジェット内のより大きく拡張された構造を分解するのに適していますが、X 線はジェットの最も熱く、最もエネルギーの高い部分に対してより感度が高くなります。しかし、解像度の制限により、X 線画像ではジェット内の複雑な詳細構造を明確に「分割」することが長い間困難でした。
最新の研究では、チャンドラチームは画像に対していわゆる「デコンボリューション」プロセスを実行し、これにより画像の解像度が大幅に向上し、高エネルギー構造に対するX線の感度を維持しながら、X線ビューで表示される詳細精度が光学望遠鏡や赤外線望遠鏡からの画像の精度に近づくことが可能になりました。これは、処理されたチャンドラ画像が同じ視野内の構造解像度と高エネルギー情報の両方を考慮できることを意味し、ジェット内部の粒子加速メカニズムを研究するためのより強力なツールを提供します。研究チームは、10 年以上にわたる観測を重ね合わせて分析することで、M87* ジェットの進化をタイムライン上で綿密に描写し、10 年スケールでの内部構造の軌跡を明らかにすることができました。
「ジェットの変化をこれまでにも観察できたが、X線の波長でこれほど詳細なレベルで見たのは初めてだ」とポイトラス氏は語った。彼女は、デコンボリューション技術により、以前は X 線画像内でごちゃ混ぜにされていた構造が解決できるようになり、科学者が 10 年以上にわたってジェット内のさまざまな成分の相対運動や変化をより明確に追跡できるようになったと指摘しています。このような長期にわたる細かいスケールの時系列観測は、ブラックホールジェットが事象の地平線近くから銀河スケールまでエネルギーをどのように輸送するかを理解するための重要な手がかりを提供します。
M87* は、明るい降着円盤と重要な相対論的ジェットを備えた「活動的な」超大質量ブラックホールであるため、2019 年に EHT による最初のブラックホールイメージングのターゲットとして選ばれました。対照的に、私たちの銀河の中心にあるブラックホール射手座 A* の現在の環境は比較的「不毛」で、十分なガスや塵の物質が不足しているため、全体としては比較的「静かな」状態にあります。 M87* の高い活動レベルは、イベント ホライズン テレスコープの理想的な観測対象であるだけでなく、チャンドラ チームにジェットの動的進化を研究するための優れたサンプルを提供します。
分析の結果、M87* のジェット機の最新の X 線画像は、これまで評価されていたよりも「動的」であるように見えることが示されました。この巨大なエネルギーのジェットの中で、いくつかの構造はほぼ静止しているように見えますが、他の構造は光の 5 倍の速度で移動しているのと同等の視覚的現象を示します。研究者らは、これは物質が実際に光速を超えることを意味するものではなく、「超光速運動」と呼ばれる観測上のアーチファクトに由来するものであると強調した。ジェット内の物質が地球に近い方向に光速に近い速度で移動すると、観測者は空の背景にジェットの投影が光路と時間遅延の効果により光速よりも速く動いているように見えるでしょう。
この超光速の視覚効果は、ジェット中の高エネルギー粒子と磁場との相互作用を比較的短い時間スケールで観察する独自の窓を天文学者に提供します。ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天体物理学者で論文の共著者であるゲリット・シェレンバーガー氏は、今回の研究は、チャンドラが長期スケールで極端な宇宙現象を追跡する能力を継続的に発揮していることを示しており、超大質量ブラックホールの近くで放出されたエネルギーがどのようにジェットに沿って輸送され、最終的にブラックホールが存在する銀河の環境にどのように堆積するのかについての理解を深めるのに役立つと述べた。この種の研究は、ブラックホール自体の物理過程に関連しているだけでなく、銀河の形成と進化にも密接に関連しています。
研究チームは、チャンドラの再処理された高精細画像は、ジェット内の粒子がどのようにして極限のエネルギーレベルまで加速されるのかを調べるのに役立つと指摘した。特定の観察角度から見ると、これらの高エネルギー粒子とその放射性能は「物理法則を引き裂いている」ようにさえ見え、極限条件下での物理プロセスについての既存の理解に常に挑戦しています。関連する結果は arXiv プレプリント プラットフォームで公開されており、チャンドラ X 線天文台は科学研究コミュニティと一般の人々がこの研究について詳しく知るためにメディア ノートも同時にリリースしました。