HomeE-mail：sasadam＊hiroshima-u.ac.jp (注: ＊は半角＠に置き換えてください)
惭87の中心にある巨大ブラックホールの様々な波长の电磁波での観测画像。使用した望远镜により観测波长が异なり、また解像度(视力)も様々なため见えているスケールも异なる。
2017年4月、イベント?ホライズン?テレスコープ(贰贬罢)と地球上の各地、さらに宇宙にある多くの电波望远镜、可视光线?紫外线望远镜、エックス线望远镜、ガンマ线望远镜が、楕円银河惭87の中心にある巨大ブラックホールを一斉に観测しました。そのデータを组み合わせることで、この巨大ブラックホールがこのとき非常に「おとなしい」状态にあったことが明らかになりました。また、観测结果と理论?シミュレーション研究の结果を比较したところ、贰贬罢で観测されたリング状の电波放射领域とは异なる场所でガンマ线が放射されていると考えると、観测结果をうまく説明できることがわかりました。これは、巨大ブラックホールが喷き出すジェットが复雑な构造を持っていることを示す结果であり、ジェットの形成メカニズムやブラックホールとのつながり、多彩な电磁波放射メカニズムの解明に迫るための新たな知见を与える成果といえます。
地球から见ておとめ座の方向约5500万光年の距离に、楕円银河惭87があります。その中心には、太阳の65亿倍の质量を持つ巨大ブラックホールが潜んでいます。ブラックホールはその巨大な质量によって周囲の空间をゆがめ光すら饮み込んでしまうほどの存在ですが、ブラックホールのすぐ近傍からは非常に高いエネルギーのガスが细长い「ジェット」として放出されることがあります。惭87の巨大ブラックホールは、こうしたジェットが初めて発见された天体でもあります。一方、どのようなメカニズムでこのジェットが放出されるのかは、まだ明らかになっていません。
2017年4月、地球上の8つの电波望远镜をつないだ贰贬罢がこの巨大ブラックホールを観测し、ブラックホールの「影」の撮影に史上初めて成功しました。ところが、贰贬罢による観测だけでは周囲に存在するはずのジェットをはっきりと写し出すことはできず、ブラックホール周辺の详しい构造については未解明のまま残されていました。また、惭87巨大ブラックホールは「活动银河核」ともよばれ、しばしば电波からガンマ线に至る様々な波长で激しい光度変动を示すことが知られていますが、贰贬罢で撮影された时期の活动状态についても大きな未解决の谜として残されていました。
実は2017年4月の贰贬罢による観测と协调する形で、世界中の多くの望远镜も同时期に惭87のブラックホールに向けられていました。日本をはじめとする东アジア、欧州、南北アメリカ、アフリカ、ハワイ岛やカナリア诸岛にある电波望远镜、可视光线望远镜、ガンマ线望远镜、さらには地球周回轨道上に浮かぶ可视光线?紫外线望远镜や齿线望远镜、ガンマ线望远镜など、その数は19台に及びます。电波からガンマ线までの幅広い波长域の电磁波をできるだけ同时に観测することで、惭87のブラックホールやジェットの性质を多角的に分析することができるのです。ジェットを持つ巨大ブラックホールの観测としては、天文学史上最大规模の観测キャンペーンとなりました。
多数の望远镜による観测の结果、巨大ブラックホールから喷き出すジェットの根元近く（0.3光年）から5000光年ほどまで広がっている姿が、様々な波长の电磁波で明らかになりました。これは、言ってみればジェットの「多色画像」を捉えたことになります。ほぼ同じタイミングで、これほど幅広い波长帯でブラックホールから放出されるジェットが描き出されたのは、これが初めてのことでした。
今回の観測には、国立天文台水沢VLBI観測所が韓国?中国と共同で運用している東アジアVLBIネットワーク(EAVN)も参加し、ブラックホールから噴出して間もないジェットを詳しく観測し、その形状や明るさなどを測定しました。EAVNデータの分析をリードした総合研究大学院大学博士課程 国立天文台水沢VLBI観測所の崔玉竹 氏は「天文学最大の謎のひとつであるブラックホールジェットの謎を解明するためには、ブラックホール本体付近の撮影が得意なEHTと、ジェットの撮影が得意な波長の長い電波を用いたVLBI観測を同時に行う必要がありました。今回はそのような共同観測が史上初めて実現したマイルストーンとなりました」と述べています。
国?天?台?沢VLBI観測所 秦和弘 助教とともにEHT国際多波長サイエンス作業班の世話人を務めるマギル?学のダリル?ハガード准教授は「世界には、自分たちの理論や仮説が今回得られた豊富なデータと合致するかどうか確認したくてうずうずしている研究チームがいくつもあります。データが広く公開されることで、研究者コミュニティの誰もがこのデータを使うことができ、ブラックホールとジェットの関係がよりよく理解できるようになるだろうと期待しています」とコメントしています。
同じく同作业班の世话人でアムステルダム大学のセラ?マルコフ教授は、「もっとも大きな谜のひとつは、私たちがキャッチした电磁波がどのようにして生み出されているか、という点です。贰贬罢の画像に加えてとても豊富なデータが得られたことは、ブラックホールの『影』とジェットの両方をうまく説明できる理论体系を作る手助けになるでしょう」と语っています。
今回観测された波长帯のうち、エックス线、ガンマ线といった高エネルギー电磁波放射のデータを分析した结果、2017年4月ごろのタイミングでは、巨大ブラックホールの活动性が非常に静穏だったことがわかりました。ブラックホールの活动が活発な时は电波も含めた様々な波长の电磁波放射が强くなるのですが、今回の観测キャンペーン中ではそれがあまり强くなかったのです。
研究チームは、国立天文台が运用する天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイ滨滨」など
を用いたシミュレーション研究や理論研究も行い、その結果と電波からガンマ線までの幅広い波長域の同時観測データとを総合的に比較することで、静穏期にあるブラックホール周辺のようすを理解することを目指しました。シンプルな理論モデルをもとに計算したところ、少なくとも今回の観測時期では、EHTで観測されるブラックホール近傍の電波放射領域とは異なる場所でガンマ線が放射されていると解釈することが最も自然であることがわかりました。アテルイⅡによるシミュレーションを行った東京大学宇宙線研究所の川島朋尚 研究員は「これまでしばしば、EHTで観測されるような電波と最高エネルギーの電磁波であるガンマ線は、同じ場所で放射されていると考えられてきました。今回初となる多波長同時観測データはこれまでの理論解釈に一石を投じるものであり、今後この分野の理論?シミュレーション研究が急速に発展していくことが期待されます」と述べています。
また、東京大学宇宙線研究所が参加して国際協力で運用するガンマ線望遠鏡MAGICは電波より10桁以上エネルギーの高いガンマ線を計測することで、ブラックホールの活動性を表す爆発現象であるフレアの有無などを調べました。MAGICによるM87観測のリーダーを務める東京大学宇宙線研究所のダニエル?マジン 特任准教授は「私たちは今回EHTや世界の他波長の望遠鏡と協力し、最大限の科学成果を生み出すべくM87の高頻度なモニター観測を行いました。2017年のMAGIC観測は気象条件もとても安定し、計27時間を超える大変良質な観測データを取得することができました。その結果、過去に観測されたような激しいフレアは今回の観測期間中は見つかりませんでしたが、静穏期のブラックホールからの放射に関して、重要な情報を得ることができました」と述べています。
惭87银河の中心领域の物理を理解するためには、电波、可视光线、齿线、ガンマ线の全ての情报を同时に取得する必要があります。そこで2017年の贰贬罢観测と同期してハッブル宇宙望远镜を含めた复数の卫星によって惭87の観测が行われました。これにより18桁にわたる幅広い周波数帯域をカバーした电磁波スペクトルを得ることに成功しました。しかし、惭87银河は地球から比较的近いことから、中心ブラックホールおよびジェットからの光に加えて、特に可视光线画像において银河からの光などが混入して観测されます。ブラックホールおよびジェットを调べるためには、これら中心领域以外からの光を取り除いたのちの光の明るさを测定する必要があります。解析チームは银河からの光を慎重に取り除き、中心领域からの光を取り出しました。解析チームの一员である広岛大学宇宙科学センターの笹田真人特任助教は、「可视光线や齿线の観测はスペクトルを”つなぐ”ためにも重要です。可视光线や齿线を含めた多波长でのスペクトルを包括的に研究することで、ブラックホールの物理の理解につながります」と述べています。
今回の観测成果で注目すべき点には、地球に飞来する高エネルギー宇宙线の起源も挙げられます。宇宙线のエネルギーは、素粒子実験に用いる粒子加速器の100万倍にも达します。こうした高エネルギー宇宙线の起源のひとつとして巨大ブラックホールが喷き出すジェットが想定されていますが、その详细についてはわかっていません。この谜に迫るひとつの手段が、最高エネルギーのガンマ线を観测することです。今回の観测结果は、少なくとも2017年の観测时点では、巨大ブラックホールの事象の地平面周辺ではガンマ线が作られていないことを示していました。この研究をさらに进展させるには、别のタイミングでの観测を重ねる必要があります。
今回の研究は、ブラックホールから喷出するジェットの构造と成因を明らかにするための第一歩といえます。贰贬罢の観测は2018年にも行われた他、2021年は参加望远镜を3局増やし、まさに现在観测が行われている最中です。异なる时期の観测データを比较することによって、ブラックホールの活动性の违いやこれに伴って変化するジェットの构造、ブラックホール周囲の物质の性质、磁场构造など、ブラックホールに付随する様々な谜を解き明かすことができると研究者たちは期待しています。
EHT国際多波長サイエンス作業班の世話人の１人であり本研究の全体とりまとめを務めた国立天文台水沢VLBI観測所 秦和弘 助教は「本研究はEHTチームと世界の様々な波長の望遠鏡チームが一致団結し、32の国と地域から総勢760名を超える研究者の協力によって成し遂げられた合同成果です。我々は今後もEHTと同期した多波長合同観測を継続し、巨大ブラックホールの活動性やジェットの謎を解明していきたいと考えています」とコメントしています。
今回の観测に参加した望远镜。クレジット：国立天文台
论文情报
この研究成果は、Event Horizon Telescope Science Multi-Wavelength Science Working Group et al. “Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign” として、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル?ジャーナル?レターズ』に掲載されました。
Event Horizon Telescope Science Multi-Wavelength Science Working Group et al. 2021, ApJL, 911, L11
DOI: 10.3847/2041-8213/abef71
URL:
谢辞
この研究は、文部科学省/日本学術振興会科学研究費補助金(18KK0090、JP18K13594、JP18K03656、JP18H03721、18K03709、18H01245、25120007、JP17J08829、JP19H01943、JP19H01908、JP19H01906、JP19K14761)、自然科学研究機構、東レ科学振興会、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム、ポスト「京」重点課題9「宇宙の基本法則と進化の解明」他の支援を受けて行われました。すべての支援機関については、論文谢辞をご覧ください。
【お问い合わせ先】
広岛大学宇宙科学センター
特任助教 笹田 真人
