🌍 ""日韓合同電波望遠鏡群で探る巨大ブラックホールジェット 〜見えてきた「超光速噴出流」の現場〜""
国立天文台水沢VLBI観測所の秦和弘助教が率いる国際研究チームは、活動銀河M87の中心に存在する巨大ブラックホールから噴出する高エネルギープラズマ「ジェット」の運動を、「日韓合同VLBI観測網」を用いてかつてないほど高い頻度で詳しく観測を行いました。
日韓合同VLBI観測網とは、日本と韓国に跨る計７台の電波望遠鏡を合成することで、高い解像度と感度を実現する巨大な望遠鏡を仮想的に形成する日韓共同プロジェクトです。
その結果、ジェットの速度が見かけ上、光の速度を超える「超光速運動」👀!!を、ブラックホールから噴出後わずか５光年に満たない地点において検出することに成功しました。
本結果はこれまで考えられていたよりも１０倍以上もブラックホールに近い位置でジェットが既に極めて大きな速度に加速されていることを示唆しており、ブラックホールの強い重力を振り切りいかにしてジェットが噴出されるのか、という長年の謎を解明する重要な手がかりになると期待されます。
※本研究成果は2016年3月14日から首都大学東京にて行われる日本天文学会春季年会で発表されます
記者発表出席者
秦 和弘 (国立天文台 水沢VLBI観測所 助教)
紀 基樹 (韓国天文宇宙科学研究院 特任上席研究員)
研究チーム
秦 和弘 (国立天文台 水沢VLBI観測所 助教)
紀 基樹 (韓国天文宇宙科学研究院 特任上席研究員)
朴 鐘浩 (ソウル大学校 大学院生)
新沼 浩太郎 (山口大学 理工学研究科 准教授)
孫 烽源 (韓国天文宇宙科学研究院 上席研究員)
ほか 日韓合同VLBI観測網サイエンスワーキンググループ
詳しくは以下をご覧ください
1. 研究の背景
2. 観測天体M87(おとめ座A)
3. 日韓合同VLBI観測網
4. 観測結果
5. 本研究のインパクトと今後の展望
① 研究の背景
図１. 活動的な巨大ブラックホール周辺の想像図（クレジット：国立天文台/AND You Inc.）
これまでの研究から、多くの銀河の中心部には太陽の数百万倍から数十億倍の質量を持つブラックホールが存在することがわかってきました。ブラックホールは強い重力によってあらゆる物質を吸い込み、光さえ脱出できない天体として有名です。ブラックホール自体は輝きませんが、吸い込まれる物質の重力エネルギーが転化することで、その周辺では様々な活動現象が起こっています。これらの現場を直接観測することはブラックホールの性質や活動性を解明することに直結するため、宇宙物理学における最重要テーマの１つとして活発に研究が進められています。
一部の巨大ブラックホールはその活動性が極めて激しく、物質を吸い込むと同時に強力な「噴射」もしていることがわかっています(図１)。「ジェット」と呼ばれるこの現象は、電離したガス(プラズマ)噴出流が細く絞られた形状で光速に近い（最大99%を超えることもある）速度で数千〜数万光年にも渡って宇宙空間を突き進む宇宙最大級の高エネルギー現象です。宇宙に存在する巨大ブラックホールの約１割が、このような強力なジェットを伴うことが知られています。
しかしながら、巨大ブラックホールの強力な重力を振り切り、いかにしてジェットが形成され、光速に迫る速度まで加速されるのか、その詳しいメカニズムは未だ解明されていません。巨大ブラックホールからのジェット噴出は現代天文学における最難関の問題の１つとされています。近年ではコンピュータシミュレーションの進展により、理論的にはブラックホール自身の自転（スピン）やその周辺に存在する磁力線構造の関連が示唆されていますが、定説が確立できないまま、既に半世紀近くに渡り論争が続いています。この難問の解決へ向けて、ブラックホール近傍である、ジェットが噴出されて間もない現場での運動の様子を実際に観測によって明らかにする必要があります。
② M87(おとめ座A)：最近傍の巨大ブラックホールジェット
図２：ハッブル宇宙望遠鏡によるM87から噴出しているジェットの可視光画像 (クレジット：NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA))
私たちは今回、地球から5440万光年離れたところにあるM87銀河に着目しました。M87はおとめ座銀河団の中心部に位置する巨大電波銀河で、その中心には太陽の６０億倍👀!! という宇宙最大クラスの質量を持つ超巨大ブラックホールがあることが知られています。
これまでハッブル宇宙望遠鏡などを用いて、中心核から約５千光年に渡りビーム状のジェットが光速の98%以上の速度で運動している様子が観測されています(図2)。
近年はVLBI観測(後述)の進展により、ジェットの根元の構造がブラックホールの直径の10倍程度を切るという極めて高い解像度で空間分解され始めており、「巨大ブラックホールジェット研究のロゼッタストーン」として世界中のブラックホール研究者が現在最も注目している天体です。ちなみにこの天体は、今から約100年前（1918年）に人類が初めて「宇宙ジェット」を発見した記念すべき天体としても大変有名です。
しかしながら、ジェット根元の噴出速度については未だ正確に決定することができていませんでした。これまで主に米国のVLBI観測網を用いてM87ジェットのモニターが何度か行われており、先行研究ではジェット根元付近の運動は光速の10～30%程度以下と、極めて遅いということが示唆されていました。
ところがこれらの観測はモニター頻度がせいぜい３ヶ月〜半年毎に一回という、非常に粗いものでした。そのため時期が大きく異なる画像の間でジェットの運動をきちんと追尾できていない、という可能性が指摘されていました。この問題を克服するためには、ジェット根元の運動をより頻繁に、かつ定常的にモニターできる観測が必要だったのです。
③ 日韓合同VLBI観測網: The KVN and VERA Array
図３：日韓合同VLBI観測網(KaVA)。（上図）KaVAの望遠鏡配置図。（下図）各局の電波望遠鏡写真。左からヨンセイ局（ソウル）、ウルサン局、タムナ局（済州）、水沢局、入来局、小笠原局、石垣局。（クレジット：国立天文台/韓国天文宇宙科学研究院）
そこで研究チームは今回、「日韓合同VLBI観測網（通称KaVA）」を用いてこの問題に取り組みました(図3)。 VLBI（Very Long Baseline Interferometer：超長基線電波干渉計）とは、地球各地に存在する複数の電波望遠鏡を繋ぎ、望遠鏡同士の間隔と等価な実効口径を持つ巨大電波望遠鏡に匹敵する高い解像力を実現する技術です。
現在世界には幾つかのVLBI観測網が稼働していますが、国立天文台が所有するVERAは世界でも数少ないVLBI専用観測網として10年以上稼働しています。近年は韓国においてもVLBI専用観測網KVNの運用が始まりました。
KaVAとは、このVERAとKVNとの同時合同観測を実施することで、さらに高性能な１つの巨大電波望遠鏡を形成する日韓共同プロジェクトです。二つの観測網を一体化することにより、各観測網を別々に用いる場合よりも画像の品質や感度が格段に優れた性能を発揮することができるようになります(図4)。
図4. VLBI電波写真の画質比較（明るいクエーサー3C273のジェットを用いた検証）。（左図）KVN単独での画像。（右図）VERA単独での画像。（中央図）日韓合同VLBI観測網KaVAでの画像。
各画像左下の楕円は各望遠鏡の空間解像度を表す。空間スケールの単位はミリ秒角（1度角の360万分の１）である。KVN単独では解像度が粗く全体がぼやけており、VERA単独では感度が悪く明るい中心部付近しか信号が検出できていない。
これに対して、KaVAを用いると、シャープな解像度で、かつ、高い感度を達成できるため、明るい中心核から暗いジェットの端まで鮮明な電波画像を得ることができる。（クレジット：国立天文台）
合同観測網実現のためには、装置の開発・試験・運用・科学研究に至る全ての過程において日韓の研究者の緊密な連携と強固な信頼関係が必要です。私たちは2011年から約3年に渡る試験運用期間における継続的な努力と協力によって合同観測網の安定化を実現し、ついに2014年からは科学観測のための定常的な運用を開始するに至りました。
KaVAの最大の長所は、高品質な観測を実現できること、および高頻度なモニターが定常的にできることです。VLBIで天体を定期的にモニターすることは他のVLBI観測網でも可能ですが、多くの場合、観測の必要に応じて関係者で調整して組織するため、観測機会は必要最小限に限られます。
一方、日韓合同VLBI観測網は我々が自らの手で作り上げた観測網ですので、可能なかぎり多くの観測時間を専有することで難易度の高い、野心的な研究にも挑戦することができます。このような高い機動性を備えたVLBI観測網は、高速で運動するジェットの速度計測のような時間的に密（高頻度）なモニターが要求される研究において非常に強力なのです。
④ 観測結果
図５：日韓合同VLBI観測網(22GHz帯/波長13ミリ)によって今回撮影されたM87ジェット根元の電波写真。ハッブル宇宙望遠鏡の100倍以上の解像度でブラックホールから噴出して間もないジェット(根元の10光年以内の領域)の様子を鮮明に捉えることができた。（クレジット：ハッブル宇宙望遠鏡画像: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)、KaVA画像: 国立天文台）
研究チームは今回2013年12月から2014年6月にかけて、KaVAを用いてM87ジェットの根元を約2～3週間に一度というかつてない高い頻度で計13回のVLBIモニター観測を行いました(図5)。その結果、これまで知られていなかった、噴出口付近でのジェットの詳細な運動の様子が明らかになってきたのです。
今回の研究結果で、最も重要なことは、ジェットがブラックホールから噴出した直後といえる、わずか5光年に満たない地点において、「超光速運動」が起こっていることを発見したことです(図6)。
超光速運動とはジェットが我々に向かって極めて速い速度(光速の約70%以上)で運動している場合に、観測者にとって見かけ上、光の速度を超えて測定される現象です。これまでも、ブラックホールから数10〜数100光年以上離れた噴出流の下流地点では幾つかの天体でしばしば報告されています。M87においても100光年を超える下流地点では超光速運動が過去の観測では確認されていましたが、ブラックホールにここまで肉薄した噴出口付近で、この現象を決定的に捉えたのは今回が初めてです。
図６. 日韓合同VLBI観測網によるM87ジェット根元のモニター観測の結果（運動の様子が見やすいように、ジェットの方向が水平になるように画像を回転させてある）。2013年12月から2014年6月の間に行われた観測のうち、５つの時期の観測データを示した。
輝度が最も明るい場所に巨大ブラックホールが潜んでおり、ここがジェットの噴出元に対応している。そこから4光年程度下流で、ジェットが時間とともに外側（この図では右側）に運動していく様子が見て取れる。参考のため、光の速度で移動している場合に対応するラインを緑の直線v=cで示してある。M87のジェットは噴出して間もない地点において既に「見かけ上」光速よりも速い速度で運動していることが本観測により明らかになった。（クレジット：国立天文台）
今回の観測では光速の約1.1倍を超える超光速運動が明らかになりました。これはジェットが視線方向から20度の方向に傾いている場合なら、実際には光速の80%以上の速度でジェットが運動していることを意味しています。したがって、本結果は、これまで考えられていたよりも１０倍以上もブラックホールに近い位置で、ジェット噴出流がすでに極めて速い速度にまで加速されていることを示唆しています。
⑤ 本研究のインパクトと今後の展望
今回の観測によって、これまで考えられていたよりも10倍以上もブラックホールに近い位置で ジェット噴出流がすでに光速の80%を超える速度にまで加速されていることが初めて明らかになりました。
ジェット噴出流の源流にあるブラックホール近傍のプラズマ状態(磁力線の構造や強度およびプラズマの濃度など)の変化にあわせて、ジェット噴出流の様子(流れの速さや明るさ)も変化すると考えられています。そこで、わたしたちは2016年春にはさらに本格的な日韓合同VLBIの２つの波長帯(13ミリと7ミリ)におけるM87高頻度モニタープロジェクトを始動し、さらにブラックホール近くの領域まで含めたジェット噴出流の時間変化の様子をかつてないほど克明に観測することを計画しています。
本研究成果は、「ブラックホールの直接撮像」という、もう１つの重要テーマとも大きく関連しています。ブラックホールの直接撮像に向けては、さらにALMAを含めた短い波長帯(1.3ミリ)におけるVLBI実験が現在世界中の天文学者の協力のもと進められており（通称サブミリ波VLBI、またはEvent Horizon Telescopeプロジェクト）、日本からも本研究チームを含め国立天文台が中心となって参加しています。
今後は、サブミリ波VLBIによる「ブラックホール」の観測および日韓合同VLBIによる「ジェット噴出流」の観測と、最先端のコンピューター数値シミュレーションを詳細に比較することによって、長年の謎であるブラックホールジェット噴出流の形成機構の解明に挑みます。
☀ この記事は、かなりボリュームがあって楽しめますね。そして、ブラックホールは、まだまだ秘密に満ちています。
