一般相対性理論の予測に沿って、M87ブラックホールの最新の研究結果がネイチャー誌に掲載されました。

9月27日、ネイチャー誌は45の機関からなる国際科学研究チームの最新の研究成果を発表した。 2000年から2022年までの観測データを解析した結果、M87銀河の中心にあるブラックホールからのジェットが、周期約11年、振幅約10度の周期振動を示していることがわかった。この現象は、「ブラックホールが回転状態にある場合、基準フレームの引きずり効果が発生する」というアインシュタインの一般相対性理論の予測と一致しています。この研究結果は、M87 ブラックホールのスピンの存在を強く示す観測的証拠となります (図 1)。志江研究所のポスドク研究員である崔玉珠氏が、この論文の第一著者および責任著者である。

図1 傾斜降着円盤モデルの模式図。ブラックホールの自転軸が鉛直上向きで、ジェットの方向が降着円盤の表面に対してほぼ垂直であり、ブラックホールの自転軸と降着円盤の回転軸の間に一定の角度があると仮定すると、これは傾斜降着円盤モデルです。ブラックホールと降着円盤の角運動量の方向の間の角度が、降着円盤とジェットの歳差運動を引き起こします。 （出典：Yuzhu Cui 他 2023、Intouchable Lab@Openverse および Zhijiang Lab）

ジェットの周期的な歳差運動を捉えることに成功

2019年4月10日、世界各地の天文学者がブラックホールの初の写真を同時に公開した。地球から5500万光年離れた近隣の銀河M87の中心に位置し、その質量は太陽の65億倍です。このような超大質量ブラックホールは、宇宙で最も神秘的で破壊的な物体の一つです。これらは巨大な重力を持ち、降着円盤を通じて大量の物質を「飲み込む」と同時に、ジェットを形成して数千光年離れたところまで光速に近い高速で物質を「吐き出す」こともします。

「ぼんやりとした光点の中心から奇妙な直線が放射された。」 1918年、天文学者は初めてM87のジェットを観測しました。これは人類が観測した最初の宇宙ジェットでもありました。超大質量ブラックホール、降着円盤、ジェット間のエネルギー転送メカニズムは何ですか?この疑問は1世紀以上もの間、物理学者や天文学者を悩ませてきました。

現在、科学者に広く受け入れられている理論では、ブラックホールの角運動量がそのエネルギー源であると考えられています。一つの可能​​性としては、ブラックホールの近くに磁場があり、ブラックホールが回転状態にある場合、磁力線を切断する導体のような電界が発生し、それによってブラックホールの周囲の電離体が加速され、最終的に物質の一部が巨大なエネルギーとともに放出されるというものです。その中で、超大質量ブラックホールのスピンがこの理論の重要な要素です。しかし、ブラックホールのスピンパラメータを測定することは極めて困難であり、ブラックホールが回転状態にあるかどうかを直接示す観測的証拠は存在しない。

この困難な問題を研究するために、研究者たちはM87銀河の中心にある超大質量ブラックホールとそのジェットに焦点を当てました。天文学者たちは、超高角度分解能の超長基線電波干渉法（VLBI）を使用して、ブラックホールに非常に近いジェット構造を解明しました。研究者らは、2000年から2022年までのVLBI観測データを解析することで、M87のジェットの周期的な歳差運動を捉えることに成功しました（図2） （歳差運動：回転する剛体が外力を受けると、その回転軸が特定の中心の周りを回転する現象）。

この巨大なエネルギージェットの方向を定期的に変えることができる力は何でしょうか?研究チームは、徹底的な分析を行った結果、この疑問の答えは降着円盤の動的特性にあるかもしれないという結論に至った。一定の角運動量を持つ物質はブラックホールの周りを回り、降着円盤を形成します。ブラックホールの重力によって、物質はブラックホールに近づき続け、最終的にはブラックホールに「吸い込まれ」てしまいます。しかし、降着円盤の角運動量はさまざまなランダムな要因によって影響を受ける可能性があり、ブラックホールの回転軸と一定の角度がある可能性が非常に高いです。しかし、ブラックホールの超強力な重力は周囲の時空に大きな影響を与え、近くの物体をブラックホールの回転方向に沿って引きずり、アインシュタインの一般相対性理論で予測された「基準フレーム引きずり効果」を引き起こし、降着円盤とジェットを周期的に歳差運動させます。

図2. 2013年から2018年までの2年ごとの合体後のM87のジェット構造（観測周波数帯は43GHz）。対応する年は左上隅に表示されます。白い矢印は、各サブ画像内のジェットの位置角度を示します。下: 2000 年から 2022 年まで 1 年ごとに分類された画像に基づくベスト フィット。緑色と青色の点は、それぞれ 22 GHz と 43 GHz の観測帯域のデータです。赤い線は歳差運動モデルによる最適な適合結果を示しています。 （出典：Yuzhu Cui et al. 2023）

研究チームは観測結果を基に、膨大な量の詳細な理論的研究と分析を行い、M87の特性と合わせて、スーパーコンピューターを用いて最新の数値シミュレーションを実行した。数値シミュレーションの結果、降着円盤の回転軸とブラックホールの自転軸の間に角度がある場合、基準フレームの引きずり効果により降着円盤全体が歳差運動し、降着円盤の影響によりジェットも歳差運動することが確認されました。ジェットの歳差運動の検出は、M87 の中心にあるブラックホールの回転に関する強力な観測的証拠となり、超大質量ブラックホールの特性に関する新たな知見をもたらす可能性があります。

ブラックホールのさらなる謎を解明するには計算支援が必要

「この重要な発見は私たちにとって非常に嬉しく、幸運なことでした。2017年にM87銀河のEAVNデータを処理していたとき、ジェット構造が以前の構造方向とは明らかに異なっていることがわかりました。それ以来、私は6年間にわたって綿密なデータ処理、大量の理論論文研究、そして協力者との数え切れないほどの議論をしてきました。」論文の筆頭著者で責任著者であり、志江研究室の博士研究員でもある崔玉珠氏は、ブラックホールの自転軸と降着円盤の角運動量の角度が小さく、歳差運動の周期が10年以上であるため、23年間で2周期以上の高解像度データの蓄積とM87構造の綿密な分析が、この結果を得るための必須条件であると述べた。

「多くの協力者の助けとサポート、そしてジャーナル編集者や査読者からの貴重なコメントにとても感謝しています。私たちの論文の査読者の一人が、VLBI電波天文学研究の分野の伝説的人物、ジェームズ・モラン氏であることは特筆に値します」と崔玉珠氏は述べた。

この研究では、東アジアVLBIネットワーク（EAVN）、米国の超長基線電波干渉計（VLBA）、韓国のKVNと日本のVERA共同観測ネットワーク（KaVA）、東アジアからイタリア・ロシアまでの共同観測ネットワークEATINGなど、複数の国際観測ネットワークからの170の観測データが使用されたと報告されている。この研究には、世界中の20を超える電波望遠鏡が貢献した。

図3 東アジアVLBIネットワークにおける本論文参加望遠鏡の分布（出典：羽田和弘、崔玉珠他 2023）

EAVN AGN 科学ワーキンググループのコーディネーターである工学院大学の木野元樹博士は、次のように語っています。「これは科学上の画期的な成果です。世界中の 45 の機関の研究者による長年の共同観測のおかげで、私たちはついにこの科学的な謎を解明することができました。観測データは歳差運動モデルの予測と完全に一致しており、ブラックホールとジェットシステムに関する理解を大きく前進させるものです。」

「今回の研究から、同様の傾斜した降着円盤構造を持つ銀河の中心には、より多くのブラックホールが存在すると予測されるが、傾斜円盤を持つ天体をさらに検出するには、より大きな課題がある。より長期的な観測とより詳細な分析を必要とする謎はまだ多く残っている」。今回の成果の重要なパートナーである中国科学院上海天文台の研究員、沈志強氏は「最近建設が始まった上海天文台のシガツェ40メートル電波望遠鏡は、完成後にEAVNの高解像度ミリ波画像観測能力をさらに高め、より多くの天文学的発見につながると期待される」と語った。

崔玉珠氏は、降着円盤の微細構造とM87超大質量ブラックホールの正確な回転値については、さらに研究する必要があると述べた。さらなる研究は、非常に多くの物理パラメータの探索に依存しており、そのためには超強力なインテリジェントコンピューティングパワーのサポートが必要です。

現在、智江実験室は17のインテリジェントアルゴリズムを統合したFAST@ZJLABインテリジェントコンピューティング天文学オープンプラットフォームを構築しており、高速電波バーストや天体化学の分野でBlinkVerse「blinkverse.alkaidos.cn」やChemiVerseなどの科学データベースを構築し、中国のSky Eye FASTと安定した伝送チャネルを確立しており、天文学ビッグデータの融合が続いています。

「中国の天の眼」FASTの主任科学者であり、智江実験室の天文計算の主任科学者でもある李迪氏は、電波望遠鏡の建設が進むにつれて観測データが爆発的に増加し、天文学研究にはますますインテリジェントコンピューティングのサポートが必要になると語った。志江研究所は、データ処理効率を向上させ、物理的パラメータを探索する空間を拡大するために、人工知能やクラウドコンピューティングなどの技術を天文学研究に導入しています。計算科学と電波天文学の深い統合は、ブラックホールのような神秘的な宇宙現象の本質の解明を強力に促進すると信じています。