新しい研究では、超大質量ブラックホールがこれまで考えられていたよりも早く周囲の物質を食い尽くすことが判明した。この洞察は高解像度シミュレーションから得られており、クエーサーがなぜこれほど急速にフレアしたり消えたりするのかを説明できる可能性がある。ノースウェスタン大学が主導した新しい研究は、天体物理学者が超大質量ブラックホールの摂食習慣を理解する方法を変えつつあります。これまでの研究者らは、ブラックホールはゆっくりと餌を食べると考えていたが、新たなシミュレーションでは、ブラックホールが従来の常識で考えられていたよりもはるかに早く餌を飲み込むことが示された。
この研究は、9月20日にAstrophysical Journalに掲載された。
シミュレーションに関する洞察
新しい高解像度の三次元シミュレーションによると、回転するブラックホールは周囲の時空を歪め、最終的にはブラックホールを取り囲み供給する激しいガスの渦、つまり降着円盤を引き裂くという。これにより、降着円盤は内側と外側の 2 つのサブ円盤に分裂します。ブラックホールは最初に内側のリングを飲み込みます。次に、外側のサブディスクの破片が内側にこぼれ、完全に食い込まれた内側のリングによって残された空隙が再び埋められ、食い込みのプロセスが繰り返されます。
「食べる」→「食べる」→「また食べる」というプロセスを際限なく繰り返すサイクルはわずか数か月で、これまで研究者らが提唱していた数百年と比べると驚くほど早い。
この新たな発見は、突然燃え上がり、理由もなく消えるクエーサーなど、夜空で最も明るい天体のいくつかの劇的な挙動を説明するのに役立つ。
研究を主導したノースウェスタン大学のニック・カーズ氏は、「古典的な降着円盤理論は、降着円盤がゆっくりと進化すると予測している。しかし、一部のクエーサー（降着円盤内のガスを食い荒らすブラックホール）は、数か月から数年の時間スケールで劇的な変化を起こすようだ。その変化は非常に劇的なものである。降着円盤の内部（ほとんどの光が発生する場所）が破壊され、その後再び補充されるようだ。古典的な降着円盤理論ではこの劇的な変化を説明できないが、急速に進化する可能性はある」と述べた。私たちのシミュレーションで見られた増光と減光は、円盤の内部領域の破壊と一致しています。」
Kaaz は、ノースウェスタン大学ワインバーグ芸術科学大学の天文学の大学院生であり、天体物理学学際探査研究センター (CIERA) のメンバーです。 Kaaz は共著者であるワインバーグ大学の物理学および天文学准教授であり CIERA 会員でもあるアレクサンダー・チェホフスコイ氏によって監修されました。
間違った仮定
ブラックホールを囲む降着円盤は物理的に非常に複雑な物体であるため、モデル化することが困難です。従来の理論では、なぜこれらの円盤が非常に明るく輝き、その後突然暗くなり、時には完全に消えてしまうのかを説明するのに苦労していました。
以前の研究者は、降着円盤が比較的秩序立っていると誤って信じていました。これらのモデルでは、ガスと粒子がブラック ホールの周りを、ブラック ホールと同じ平面上で、ブラック ホールの回転と同じ方向に周回します。その後、数百年から数十万年のタイムスケールをかけて、ガス粒子が徐々に螺旋を描きながらブラックホールに侵入し、ブラックホールに栄養を与えます。
「何十年もの間、人々は降着円盤がブラックホールの回転と一致しているという大きな仮定を持っていました」とカーズ氏は言う。 「しかし、これらのブラックホールに供給されるガスは、ブラックホールがどの方向に回転しているかを必ずしも知っているわけではありません。では、なぜブラックホールは自分自身を整列させるのでしょうか?整列を変えると状況が劇的に変わります。」
研究者らのシミュレーションは、これまでの降着円盤のシミュレーションの中で最も高解像度のシミュレーションの1つで、ブラックホールの周囲の領域がこれまで考えられていたよりもはるかに混沌とし、乱流であることを示した。
プレートというよりジャイロスコープに近い
研究者らは、オークリッジ国立研究所の世界最大級スーパーコンピューターの1つであるSummitを使用して、傾斜した薄い降着円盤の3次元一般相対論的磁気流体力学(GRMHD)シミュレーションを実行した。これまでのシミュレーションは、実際のブラックホールを構築するために必要なすべての物理学を組み込むほど強力ではありませんでしたが、ノースウェスタン主導のモデルには、ガス力学、磁場、一般相対性理論が組み込まれており、より完全な全体像を構築できます。
「ブラックホールは、周囲の時空に影響を与える極端な一般相対論的天体である」とカーズ氏は述べた。 「そのため、ブラックホールが回転すると、巨大なメリーゴーランドのように周囲の空間を引きずり、空間も強制的に回転させます。これは『フレームドラッグ』として知られる現象です。これは、ブラックホールの近くで非常に強い効果を生み出し、遠ざかるほど弱くなります。」
フレームドラッグにより、ジャイロスコープの前処理と同様に、ディスク全体が円を描くように揺れます。しかし、円盤の内側は外側よりもはるかに速く揺れます。この力の不一致により、ディスク全体が歪み、ディスクのさまざまな部分からのガスが衝突します。衝突によって生じた強い衝撃波は、物質を激しくブラックホールに近づけます。
歪みがさらに激しくなるにつれて、降着円盤の最も内側の領域は、円盤の残りの部分から分離するまで、ますます速くぐらつき続けます。その後、新しいシミュレーション結果に基づいて、サブディスクは互いに独立して進化し始めます。ブラック ホールの周囲の平板のように滑らかに一緒に動くのではなく、サブディスクはジャイロスコープの車輪のように、異なる速度と角度で独立して揺れます。
「内側の円盤が引き裂かれる際に、独立して前処理が行われる。ブラックホールに近いため前進運動が速く、また小さいためより容易に移動できる」とカーズ氏は述べた。
ブラックホールが勝つ場所
新しいシミュレーションによると、内側と外側のサブディスクが切り離される引き裂きゾーンが、実際に摂食の熱狂が始まる場所だという。摩擦が円盤を保持しようとする一方で、回転するブラックホールの時空の歪みが円盤を引き裂こうとします。
「ブラックホールの回転と円盤内部の摩擦と圧力との間には競合が存在する」とカッツ氏は述べた。 「テアゾーンはブラックホールが勝つ場所です。内側と外側の円盤が互いに衝突します。外側の円盤が内側の円盤の層を削り取り、内側に押し込みます。」
ここで、サブディスクは異なる角度で交差します。外側のディスクは材料を内側のディスクにダンプします。この余分な質量も内側の円盤をブラック ホールに向かって押し、ブラック ホールを飲み込みます。次に、ブラック ホール自身の重力が外側領域から空になった内側領域に向かってガスを引き寄せ、ガスを再充填します。
クエーサー間のつながり
この「食べて食べて食べる」という急速なサイクルが、クエーサーのいわゆる「外観の変化」を説明できる可能性があるとカッツ氏は述べた。クエーサーは、天の川銀河全体にある 2,000 億から 4,000 億個の星の 1,000 倍のエネルギーを放出する非常に明るい天体です。クエーサーの変化はさらに極端です。それらは数か月にわたって点滅しているように見えますが、これは典型的なクエーサーとしては非常に短い時間です。
古典理論では降着円盤の進化速度と明るさの変化についての仮定が立てられていますが、歪んだクェーサーの観測からは、それらが実際にははるかに速く進化することが示唆されています。
「降着円盤の内部領域は、明るさの大部分が発生する場所ですが、数か月以内に急速に完全に消える可能性があります。基本的に、完全に消えるのがわかります。システムはもはや点灯しません。その後、再び明るくなり、このプロセスが繰り返されます。従来の理論では、そもそもなぜ消えるのか、またどのようにして急速に再充填するのかを説明できません。」
新しいシミュレーションは、クエーサーを説明するだけでなく、ブラックホールの神秘的な性質についての長年の疑問に答える可能性を秘めています。
「ガスがどのようにしてブラックホールに入り、電力を供給するかは、降着円盤物理学における中心的な問題である」とカッツ氏は述べた。 「これがどのように起こるかを知っていれば、円盤がどれくらい長く続くか、どれくらい明るいか、そして望遠鏡で見たときに光がどのように見えるかがわかります。」