歳差運動するM87ジェットの噴出口 – 巨大ブラックホールの「自転」を示す新たな証拠
[図１] 自転する巨大ブラックホールの周りで歳差運動（立体的な首振り運動）する降着円盤とジェットの想像図。ブラックホールの自転軸は図の南北方向に固定されている。ブラックホールの自転軸に対して降着円盤の回転軸が傾いていると、一般相対性理論の効果によってこのような歳差運動が生じる。画像クレジット：Cui Yuzhu et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab.
山口大学大学院創成科学研究科（理学系学域）の新沼浩太郎教授が参加する国際研究チームは、東アジアVLBIネットワークをはじめとする観測装置を用いて、楕円銀河M87の中心から噴出するジェットの運動を詳しく観測しました。過去20年以上にわたって得られた多数の画像を分析しまとめた結果、ジェットの噴出方向が約11年周期で一般相対性理論が予言する歳差運動（首振り運動）をしていることを発見しました。本成果は、M87の巨大ブラックホールが自転（スピン）していることを強く示すとともに、強力なジェットの発生にブラックホールの自転が深く関与していることを裏付けるものです。研究成果は、英国の科学雑誌『ネイチャー』に2023年9月27日付で掲載されました。
宇宙に存在する多くの銀河の中心には、太陽の数百万倍から百億倍の質量をもつ巨大ブラックホールが潜んでいると考えられています。その一部は非常に活動的で、ジェットと呼ばれるビーム状のガスを噴出し、「活動銀河核」として輝いています。こうした巨大ブラックホールの性質やジェットの形成メカニズムは未だ多くの謎が残されており、天文学の最前線のテーマのひとつです。
地球から5500万光年の距離にある楕円銀河M87は最も代表的な活動銀河核の1つであり、2019年にはイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）によって太陽65億個分の質量を持つ巨大ブラックホールが撮影された天体として知られます。2023年4月には、グローバルミリ波VLBI観測網（GMVA）によって巨大ブラックホールを取り巻く「降着円盤」と呼ばれるガス円盤の様子も明らかになりました。こうした観測は活動銀河核の究極のエネルギー源が巨大ブラックホールと降着円盤であることを決定づけるとともに、これらがジェットの形成にも関係していることを示唆するものでした。
一方研究者の間では、「M87の巨大ブラックホールは自転（スピン）をしているかどうか？」という疑問が引き続き大きな関心事として議論されていました。アインシュタインの一般相対性理論によると、自転は質量とともにブラックホールの基本的性質（及び周囲の時空構造）を決める最も重要な要素です。また近年の理論研究から、強力なジェットの駆動にはブラックホールの自転エネルギーが必要であることが提唱されていました。しかしながら、ブラックホールの大きさや周囲の星の運動などから比較的測定しやすい質量とは対照的に、自転の有無を観測から見極めることは容易ではありません。
研究チームは今回、東アジアVLBIネットワーク（East Asian VLBI Network: EAVN）及び米国の電波望遠鏡ネットワークによって得られた観測データを中心に、過去20年以上に渡って蓄積された170枚にも及ぶM87ジェットの電波画像を分析し、その形状が変化する様子を詳しく調査しました。その結果、ジェットの噴出方向が約11年のサイクルで周期的に変化していることを発見しました（図2）。先行研究では、M87ジェットが噴出方向に対して横方向に揺れる「謎の横揺れ」現象の存在が示唆されていましたが、その原因や周期の有無についてはよく分かっていませんでした。
[図2] （上部３つの画像）EAVN等で撮影したM87ジェットの電波画像の例。2013年〜2018年にかけて波長7mm帯で撮影された多数の画像を2年分づつ平均している。各画像の中心部からのびる矢印はジェットの噴出方向を表す。（下図）2000年〜2022年の間で測定されたジェット噴出方向の時間変化。赤色の正弦曲線は測定結果と最もよく一致する11年周期の歳差運動のモデルを表す。画像クレジット：Cui et al. (2023)
「この発見をした時は身震いしました」こう語るのは、本研究の筆頭著者であり、大学院生時代に国立天文台水沢VLBI観測所で研究を行ったZhejiang Lab（之江実験室）の崔 玉竹（ツェイ ユズ）研究員です。「1〜2年分のデータを分析するだけでも大変ですが、それだけでは決して捉えることができなかった変化です。20年以上にもわたる気の遠くなるほどの膨大なデータを1つ1つ丁寧に分析することが今回の新たな発見につながりました」
このようなジェットの周期変化は何を意味しているのでしょうか？その原因を突き止めるため、研究チームはさらに国立天文台水沢に設置された天文学専用スーパーコンピュータ 「アテルイⅡ」を用いた理論シミュレーションを行い観測結果を考察しました。その結果、観測された11年周期のジェット振動は、自転するブラックホールが周囲の時空を引きずることで生じる「レンズ-シリング歳差」と呼ばれる運動でうまく説明できることがわかりました（図3）。
[図3] アテルイIIで実施した一般相対論的磁気流体シミュレーションが示した降着円盤およびジェットの歳差運動の様子。初期にブラックホールの自転軸に対して回転軸の傾いた降着円盤を設置し、その時間変化の様子を追っている。カラー図は子午面における密度を表している。一般相対論的磁気流体コードUWABAMI (同研究チームの高橋博之氏が開発)を用いて計算を実施した。画像クレジット：川島朋尚
本研究は、M87の巨大ブラックホールが自転していることを強く裏付けるものです。同時に、ジェットの形成に自転が深く関与しているという理論を強く支持するものであり、長年研究者を悩ませてきた難問の解決に大きく前進する成果です。
EAVN活動銀河核サイエンスワーキンググループのメンバーであり、EAVNの中核である日韓VLBI観測網の立ち上げにも中心メンバーとして関わった山口大学創成科学研究科の新沼浩太郎教授は以下のようにコメントしています。
「研究チームが地道に観測を継続したことで得られた非常に大きな科学的成果です。世界中の研究者との競争の中で、大型共同利用装置の観測時間を長期間にわたり獲得し続けることは簡単なことではありません。研究グループがこのような努力を継続する中で、若い研究者が育ち、研究をリードしてこのような大きな成果に結びついたことは大変感慨深いです」
研究チームは引き続きM87ジェットの観測を続けています。
論文情報
この研究成果は、Cui et al. “Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87” として、英国の科学雑誌『ネイチャー』に2023年9月27日付で掲載されました。日本を含む世界から45の研究機関、79名の研究者による国際共同研究成果です。
- DOI: 10.1038/s41586-023-06479-6
- URL: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06479-6
国内の共同発表機関
自然科学研究機構 国立天文台、東京大学 宇宙線研究所、総合研究大学院大学、工学院大学、大阪公立大学、茨城大学、山口大学、筑波大学、駒澤大学、東洋大学
謝辞
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（No. JP18H03721、JP19H01943、JP18KK0090、JP21H01137、JP21H04488、JP22H00157、JP18K13594、JP19H01908、JP19H01906、JP18K03656、JP19KK0081）、文部科学省スーパーコンピュータ「富岳」成果創出加速プログラム「シミュレーションとAIの融合で解明する宇宙の構造と進化」（JPMXP1020230406）、他、国際的な支援を受けて行われたものです。すべての支援機関については、論文謝辞をご覧ください。
問い合わせ先
（研究について）
新沼 浩太郎（にいぬま こうたろう）
メール：niinuma@（アドレス@以下→yamaguchi-u.ac.jp ）
電話：083-933-5759（研究室）、090-1707-5290（携帯）
（報道について）
国立大学法人山口大学総務企画部総務課広報室
メール： sh011@（アドレス@以下→yamaguchi-u.ac.jp ）
電話：083-933-5007