なぜ、“M87”ジェットの噴出方向は約11年周期で変化するのか？ 原因は巨大ブラックホールの自転が引き起こすジェットの首振り運動

楕円銀河“M87”は、中心に巨大ブラックホールを持つことことで知られています。

今回の研究では、このM87の中心から噴出するジェットについて、過去20年以上にわたる観測で得られた多数の画像を分析。
すると、ジェットが噴出する方向が約11年周期で変化していることが分かりました。

さらに、観測結果を理論シミュレーションと比較してみると、巨大ブラックホールの自転が引き起こすジェットの首振り運動“歳差運動”に起因することが明らかになります。

これらの結果が示しているのは、M87の巨大ブラックホールが自転していること。
さらに、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成果になります。

この研究は、国立天文台の研究者を中心とした多数の研究機関の研究者からなる国際研究チームが進めています。

自転する巨大ブラックホールの周りで歳差運動をする円盤とジェット（イメージ図）。ブラックホールの自転軸は図の上下方向で固定している。ブラックホールの自転軸に対して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ジェットの歳差運動が生じる。（Credit: Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab）

楕円銀河“M87”ジェットの噴出方向

ほとんどの銀河の中心には、太陽の100万倍から100億倍の質量を持つ巨大ブラックホールが存在すると考えられています。

私たちの天の川銀河の中心にも、太陽の400万倍の質量を持つ巨大ブラックホール“いて座A*（エースター）”が存在しています。

なかには、周りのガス円盤から物質が降り積もって銀河の中心核が明るく輝いたり、ジェットを噴出したりする活動的な銀河も多く観測されています。

おとめ座の方向約5500万光年の彼方に位置する楕円銀河M87の中心に存在するのが、太陽の約65億倍もの質量を持つ巨大ブラックホールです。
近年の研究からは、ブラックホールシャドウやガス円盤の姿がとらえられています。

一方、このブラックホールが自転しているかどうかについては、観測から見極めることが難しく、自転のはっきりした証拠は得られていませんでした。

今回の研究では、東アジアVLBIネットワーク（EAVN :East Asia VLBI Network）などの観測網によって、過去20年以上にわたって得られた170枚にも及ぶM87のジェットの電波画像を分析。
すると、ジェットの噴出方向が約11年周期で変化していることが分かります。

東アジアVLBIネットワーク（EAVN :East Asia VLBI Network）とは、国立天文台や韓国天文研究院、中国科学院上海天文台、中国科学院新疆天文台が連携して、各国の電波望遠鏡群をネットワークさせたVLBI観測網のこと。
遠く離れた複数の電波望遠鏡が協力して同時に観測すると、口径の大きい電波望遠鏡を使うのと同様の性能を得ることができる。このような観測を行うことを“VLBI（Very Long Baseline Interferometry : 超長基線干渉計）”という。

ジェットが噴出する向きが変化していることは、これまでにも知られていました。
でも、その周期性が明らかになったのは今回が初めてのことでした。

（上）EAVNなどで撮影したM87ジェットの電波画像の例。2013年から2018年にかけて7ミリメートル帯の波長で観測された多数の画像を、2年分ずつ平均して3つの画像にしている。各画像の中心部から伸びる矢印はジェットの噴出方向を表す。（下）2000年から2022年の間に測定されたジェットの噴出方向の時間変化。赤色の曲線は、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。（Credit: Cui et al. (2023)）

今回の研究の中心となった、中国・之江実験室の崔玉竹（ツェイ ユズ）研究員によると、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、一つ一つ丁寧に分析することが、今回の新たな発見につながったそうです。

さらに、今回の研究では、このジェットの変化の原因を突き止めるため、国立天文台が運用する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実施。
シミュレーション結果と観測結果との比較・考察を行っています。

“アテルイII”は、国立天文台天文シミュレーションプロジェクトが運用する、天文学における数値シミュレーション専用のスーパーコンピュータ。岩手県奥州にある国立天文台水沢キャンパスに設置されていて、平安時代に活躍したこの土地の英雄アテルイにあやかり命名。「勇猛果敢に宇宙の謎に挑んでほしい」という願いが込められている。

その結果、このジェットの変化は、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、円盤とジェットの歳差運動として、うまく説明できることが分かります。

この研究成果により、ブラックホールとジェットに対する理解に、大きな進展がもたらされたことになります。
短期的な研究成果の創出が求められる昨今にあって、今回の成果は、長年の地道なデータの積み重ねが大きな発見につながることを示す好例と言えます。

研究チームでは、今後もM87ジェットの観測を続け、ブラックホールとジェットのつながりや、ブラックホールの自転の速度を正確に導き出すことを目指すそうですよ。


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