超巨大ブラックホールから噴き出るジェットの構造を解明

広島大学「かなた望遠鏡」と日・米・欧共同開発「フェルミ」ガンマ線観測衛星の共同観測研究(林田将明氏とGrzegorz Madejski氏(スタンフォード大学)が中心となって解析)によって、超巨大質量ブラックホールから噴き出るプラズマジェットの構造が明らかになりました。この研究成果は、平成22年2月18日(木)発行の科学誌「Nature」で発表されます。

1. 研究の背景

宇宙には、我々の天の川銀河系の他にも数多くの銀河が存在します。天の川銀河の中心にあると考えられている大質量ブラックホールは活発な活動をしていませんが、宇宙を構成している銀河の中には、中心のブラックホールがとても活発に活動している活動銀河と呼ばれる天体が多くあります。その天体は「宇宙ジェット」と呼ばれる光速に近い速度のプラズマ粒子をブラックホールの付近から吹き出しています。どんな理由と条件で中心のブラックホールの活動度が決まるのか、またどのような仕組みで一部のプラズマ粒子がブラックホール近くで外向きのエネルギーを得て加速されるのか、それがジェット状になるのか分かっていません。この「宇宙ジェット」の謎を解明する鍵となっていたのが、ブラックホールのごく近くで発生すると思われている最もエネルギーの高い光、ガンマ線です。

広島大学は、日・米・欧が共同で推進している「フェルミ」ガンマ線衛星開発国際プロジェクトに参加し、ガンマ線望遠鏡開発の鍵となる半導体センサーを開発し貢献しました。また、天体からの偏光は磁場の情報を得る最も有効な方法で、ジェットを作る際に重大な影響を与えていると思われる磁場を調べるために、東広島市下三永に「かなた望遠鏡」と偏光観測装置を設置し、可視光(目に見える光)の偏光観測を進めています。

2. 研究内容と成果

今回、広島大学宇宙科学センターを含む国際共同研究グループは、「3C279」と呼ばれる活動銀河をフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡のガンマ線観測と同期したキャンペーン観測を提案し、X線衛星を含む多くの望遠鏡が参加しました。広島大学では「かなた望遠鏡」に3色同時分光偏光撮像装置(名古屋大学開発)を付けた同時観測を5ヶ月連続で行いました。「3C279」は我々から53億光年の非常に遠い距離にありながら明るく輝く(ガンマ線では我々の銀河の1億倍の光度)活動銀河で、ブラックホールからのジェットを正面から見ていると考えられている天体です。

広島大学の「かなた望遠鏡」は、今回の観測成果を出すにあたり決定的に重要な、可視光の偏光データを取得しました。この観測の期間中にフレアーというガンマ線で10倍明るくなる現象が起こりました。このフレアー現象のガンマ線と可視光が同じような強度変化を示したことから、ガンマ線と可視光が同じ所から出ていることがわかりました。また「かなた望遠鏡」の観測した可視光の偏光度から磁場がその発光場所ではきれいに整列していることがわかり、偏光の方向がフレアー期間中、滑らかにかつ連続的に180度回転したことが観測され、これは磁場を伴った宇宙ジェットが緩やかに連続的に曲がっていると解釈できます。

3.今後の展開

 宇宙ジェット現象は活動銀河中心の巨大質量ブラックホールが作るジェット以外にもかなり普遍的に存在することが観測から分かっていますが、なぜできるのかそのメカニズムはよく分かっていません。この研究は、宇宙ジェットの生成されるメカニズムを理解する扉を一つ開いたと言えます。「かなた望遠鏡」と「フェルミ」ガンマ線観測衛星との連携観測は始まったばかりです。これからも我々の存在、生存条件を決める宇宙進化に大きな影響を与えたと思われる宇宙ジェットの研究を精力的に行って行く予定です。

参考資料

画像

活動銀河のブラックホールとジェットの想像図(J.McKinney氏(スタンフォード大学)提供):説明入り説明なし
活動銀河「3C 279」の位置と周辺の星座(広島大学提供):大きな画像
かなた望遠鏡で撮影された「3C 279」(広島大学提供):大きな画像

参考WEBページ

Natureの論文(英語):http://www.nature.com/nature/journal/v463/n7283/full/nature08841.html
Natureの解説記事(英語):http://www.nature.com/nature/journal/v463/n7283/full/463886a.html
SLAC国立加速器研究所(アメリカ)のニュース記事(英語):http://home.slac.stanford.edu/pressreleases/2010/20100217.htm
日本フェルミチームの解説記事:http://www-heaf.hepl.hiroshima-u.ac.jp/glast/100219press/100219press.html(19日に公開予定)

用語解説

天の川銀河系

私たちが住む地球は太陽系の惑星の1つです。太陽は核融合によって自ら明るく輝く恒星ですが、そのような恒星は太陽の他にもたくさんあり、それらが集まって銀河を作っています。私たちの銀河は「天の川銀河」と呼ばれています。他にはアンドロメダ銀河などが有名で、今回研究した「3C 279」という天体も銀河の1つです。私たちの天の川銀河は渦巻き円盤のような形をしていて、太陽はその円盤の中にあります。夜空に見える「天の川」は、円盤の中に住んでいる私たちから見た銀河の姿です。

ブラックホール

ブラックホールとは、非常に強い重力のために光さえも逃げることができない天体です。光が出てこないということは私たちには見えないことを意味します。ブラックホールは以前は理論上の産物でしたが、1970年代以降間接的にその質量が測定され、現在では多くの研究者がブラックホールは実際に存在すると考えています。太陽の10倍程度の質量のブラックホールは私たちの銀河系の中でも数十個程度見つかっています。また、銀河の中心には太陽の数十億倍の質量をもつ超巨大ブラックホールが存在すると考えられています。

活動銀河

1960年代、みかけは恒星のように見えるのに実は遠い場所の銀河である天体が発見され、クェーサー(星のような天体、の意味)と名付けられました。例えば、私たちの天の川銀河を数十億光年離れてみると暗くて見えません。クェーサーは天の川銀河と同じ「銀河」なのに異常に明るく、しかもその明るい部分は銀河の中心のごくごく狭い部分に集中しているのです。その後、クェーサーと同様の天体が多く発見され、現在ではまとめて「活動銀河」と呼ばれています。活動銀河がそのように明るいのは、中心に超巨大ブラックホールがあり、そこに吸い込まれていくガスが明るく輝くのだと、現在は考えられています。

宇宙ジェット

活動銀河を電波で観測すると、銀河の中心付近から細長く延びている電波源が見えることがあります。この構造は「ジェット」と呼ばれ、活動銀河からでるジェットは光の速さの99%という驚くべきスピードでプラズマが噴出しているものと考えられています。しかし、なぜジェットが出るのか、なぜ噴出するプラズマは狭い角度に絞られるのか、なぜ光の速さ近くまで加速されるのか、などの基本的なことがジェットではまだわかっていません。

ガンマ線

ガンマ線とは光の一種ですが、私たちが目で見ている光とはそのエネルギーが違います。例えば、私たちに見えている光(可視光)でも、青い光は赤い光より2倍程度のエネルギーをもっています。紫色の光よりもさらにエネルギーが大きな光は「紫外線」、さらにエネルギーが大きい光は「X線」、そして最もエネルギーの大きい光が「ガンマ線」です。ガンマ線のエネルギーは可視光の数千万倍のエネルギーをもっています。強いガンマ線はX線と同様、人体には有害です。しかし、地球の大気がガンマ線を吸収してくれるため、私たちは普段宇宙からやってくるガンマ線を浴びずにすみます。逆に、天体からやってくるガンマ線を研究したい場合は宇宙にガンマ線を測定するための人工衛星を打ち上げる必要があります。

フェルミガンマ線観測衛星

フェルミガンマ線観測衛星はアメリカ、フランス、ドイツ、イタリア、日本、スウェーデンの研究組織による共同プロジェクトです。2008年6月に衛星の打ち上げに成功し、現在も稼働を続けています。高い感度で天体からのガンマ線の変化などを探ることができる装置としては世界で初めてのものになります。1960年代以降、伝統的な天文学に加えて、「電波天文学」「赤外線天文学」「X線天文学」が発展してきました。フェルミ衛星は残された最後の「ガンマ線天文学」を開拓するものとして期待されています。広島大学ではフェルミ衛星の中のガンマ線を検出する部分を開発しました。

偏光

光は波の性質をもっており、正確には「電場」と「磁場」の振動が伝わっていくものです。通常の光はその振動の方向は様々なものが混じっていますが、ある方向にだけ振動が偏ることもあり、そのような偏りのことを「偏光」といいます。例えば、何かに反射した光は偏光することが知られており、その性質を利用して偏光した反射光だけを通さないような偏光サングラスなどが作られています。天体からやってくる光も偏光したものがあります。その偏光を調べることで、通常はわからない天体の形や構造を調べることができます。

3C 279

3C 279は活動銀河の1つです。おとめ座の方向にあり、地球からの距離は約53億光年あります。暗いときは17等級ですが、明るくなると13等級に達します。

かなた望遠鏡

広島大学宇宙科学センター付属東広島天文台は2006年5月に開所し、1.5m望遠鏡「かなた望遠鏡」を保有しています。かなた望遠鏡では、特に宇宙の変動現象に焦点をあて、活動銀河などの研究を行っています。