大量に呑み込むブラックホールがなぜジェットを出せるのか。XRISM が 3C 120 の冷たい円盤が重力半径の20倍で途切れ、内側が数億度の流れに変わるのを捉えた

スポンサーリンク

この記事には広告（Amazon アソシエイトのリンク）を含みます。

銀河の中心にある超大質量ブラックホールの中には、周りの物質を猛烈な勢いで呑み込みながら、同時に光速に近いプラズマの流れ、ジェットを宇宙空間へ噴き出しているものがあります。この二つが両立するのは、理屈のうえでは少し不思議なことでした。東北大学の野田博文と名古屋市立大学の秦和弘らの研究グループは、X線分光撮像衛星 XRISM（クリズム）と国際的な電波望遠鏡のネットワークで同じブラックホールを同時に観測し、この不思議を解く手がかりを見つけました。論文は2026年10月19日に The Astrophysical Journal Letters に載り、東北大学が同じ日にプレスリリースを出しています。

冷たい円盤ではジェットが出ないはず

ブラックホールのジェットを説明する有力な理論に、ブランドフォード＝ズナエク機構があります。ブラックホールの周りに大きなスケールの磁場がたまっていると、その磁場がブラックホールの自転エネルギーを引き出し、ジェットとして放出する、という仕組みです。この磁場を支えられるのは、熱くて幾何学的に厚い降着流だと考えられています。

ところが、物質を大量に呑み込んでいるブラックホールの周りでは、ガスは冷たくて平たい円盤になります。冷たくて薄い円盤は、大きなスケールの磁場を保てません。つまり、呑み込む量が多いほどジェットは出にくいはずなのに、実際には高い降着率で強いジェットを出す天体がいくつもあります。研究グループが論文の冒頭で「パラドックス」と呼んでいるのがこの矛盾です。

XRISM と地球サイズの電波望遠鏡で同時に見る

研究グループが選んだのは、おうし座の方向に約4億2,000万光年離れた活動銀河 3C 120 です。中心には太陽の約6,000万倍の質量のブラックホールがあり、高い降着率で物質を呑み込みながら強いジェットを出しています。

観測には二つの道具を組み合わせました。一つは、JAXA が主導して2023年に打ち上げた XRISM です。X線の色（波長）をこれまでにない精度で見分けられる検出器を積んでいて、ブラックホールのすぐ近くから来るX線のスペクトルを細かく測れます。もう一つは、世界各地の電波望遠鏡をつないで地球サイズの望遠鏡と同等の解像度を得る超長基線干渉計（VLBI）です。波長3ミリ帯のグローバルミリ波 VLBI アレイ（米国・欧州・チリ・韓国・グリーンランドの18局）、米国の VLBA、日本・韓国・中国の東アジア VLBI 観測網を使い、ジェットの根元を細かく写しました。

大量に呑み込むブラックホールがなぜジェットを出せるのか。XRISM が 3C 120 の冷たい円盤が重力半径の20倍で途切れ、内側が数億度の流れに変わるのを捉えた

円盤は手前で途切れ、内側は数億度の流れだった

XRISM のスペクトルには、降着円盤の鉄原子が出す輝線が写っていました。この輝線の形は、ブラックホールのそばの強い重力による一般相対性理論の効果で引き伸ばされ、ゆがんでいます。ゆがみ方を調べると、円盤がブラックホールにどこまで近づいているかが分かります。

結果は、冷たくて平たい円盤が、ブラックホールの重力半径の約20倍のところで途切れている、というものでした。その内側では、円盤の代わりに数億度に達する熱くて厚いプラズマの流れが広がっています。一方、電波の画像でジェットの幅を根元へ向かってたどっていくと、ブラックホールのすぐそばでのその太さは、円盤が途切れる半径と同じか、それより細いと見積もられました。つまりジェットは、冷たい円盤からではなく、その内側の熱い流れの中から立ち上がっています。

熱くて厚い流れなら、ブラックホールの周りに磁場をためられます。3C 120 は、高い降着率で冷たい円盤を持ちながら、その内側に「ジェットを出せる熱い領域」を備えていたわけです。研究グループは、高い降着率でもジェットの発生は熱い内側の流れと結びついていて、円盤の幾何学的な切り替わりを介した「円盤とジェットの普遍的なつながり」の証拠だとしています。野田は東北大学のプレスリリースで、最新のX線望遠鏡と電波望遠鏡で同じブラックホールを見たことで、ブラックホールを取り巻く熱いプラズマと、そこから出てくるジェットの両方を見ることができ、ブラックホール近傍の極端な環境とジェットの形成を直接つなげられた、と話しています。

大量に呑み込むブラックホールがなぜジェットを出せるのか。XRISM が 3C 120 の冷たい円盤が重力半径の20倍で途切れ、内側が数億度の流れに変わるのを捉えた

次はもっと重いブラックホールで

今回の結果は、ブラックホールのすぐ近くを調べる新しいやり方も示しています。X線の分光でガスの構造を測り、VLBI でジェットの根元を写し、両方を突き合わせる方法です。研究グループは、より質量の大きいブラックホールでも XRISM と世界の電波望遠鏡による同時観測を進めていて、理論モデルや計算機シミュレーションとの比較を行っています。

野田は次の目標として、物質と磁場とブラックホールの自転がこうした極端な環境でどう相互作用するかの、より完全な全体像を組み立てることを挙げています。ジェットは銀河やもっと大きな構造の進化に影響を与えるので、ジェットがどう生まれるかを押さえることは、ブラックホールが宇宙の構造にどう関わるかを理解することにもつながります。

関連する商品

この記事に関連する本や商品は、Amazon で探せます。

上のリンクから購入されると、このブログに紹介料が入ることがあります。

出典

コメント

タイトルとURLをコピーしました