超大質量ブラックホールの回転を検証 – アインシュタインの一般相対性理論が輝く

ギャラクシーM87 ブラックホール これは、アインシュタインの一般相対性理論の予測と一致する 20 年にわたる研究から結論付けられた、振動するジェットを示し、その回転を裏付けています。

地球から5,500万光年離れた、太陽の65億倍の大きさのブラックホールを含む近くの電波銀河M87では、振幅約10度で上下に振動する振動流が見られ、ブラックホールの存在が確認された。穴。 包みます。

この研究は中国人研究者崔玉州博士が主導し、 自然 9月27日、それは電波望遠鏡の世界的なネットワークを使用して国際チームによって実施されました。

研究チームは、2000年から2022年までの望遠鏡データの広範な分析を通じて、アインシュタインの一般相対性理論によって予測されたように、ジェット機の基部の歳差運動における11年の繰り返し周期を明らかにした。 この研究は流れのダイナミクスを中心の超大質量ブラックホールと結びつけており、M87のブラックホールが回転しているという証拠を提供している。

超大質量ブラックホール現象

私たちの宇宙で最も不安定な天体である活動銀河の中心にある超大質量ブラックホールは、その異常な重力と重力のために膨大な量の物質を蓄積する可能性があります。 プラズマ ジェットとして知られる流出は光の速度に近づき、その幅は数千光年に及びます。

超大質量ブラックホールとその降着円盤および相対論的ジェットの間のエネルギー伝達のメカニズムは、1世紀以上にわたって物理学者や天文学者を困惑させてきました。 一般的な理論は、回転するブラック ホールからエネルギーが抽出され、超大質量ブラック ホールを囲む物質の一部が大きなエネルギーで放出される可能性があることを示唆しています。 しかし、このプロセスの重要な要素であり、ブラックホールの質量以外の最も重要なパラメータである超大質量ブラックホールの回転は直接観測されていません。

上のパネル: 2013 年から 2018 年まで観測された半年ごとのスタッキング データに基づく 43 GHz での M87 ジェット構造。白い矢印は各サブプロットのジェット位置角度を示します。 下のパネル: 2000 年から 2022 年までの年次スタック画像に基づく最適な結果。緑と青の点は、それぞれ 22 GHz と 43 GHz での観測から得られました。 赤い線は、イニシアチブ モデルによる最適な適合を表します。 クレジット: Yuzhou Cui 他、2023

M87に注目

今回の研究で、研究チームは、1918年に最初の観測天体物理ジェットが観測されたM87に焦点を当てた。M87に近いため、超長基線干渉法（VLBI）を使用すると、ブラックホール近くのジェット形成領域を詳細に解析できる。 これは、イベント ホライズン テレスコープ (EHT) を使用した現代のブラック ホールの影の画像化によっても表現されます。 過去 23 年間にわたって取得された M87 からの VLBI データを分析することにより、研究チームはその底部で周期的な前駆体ジェットを検出し、中心ブラック ホールの状態についての洞察を提供しました。

ブラックホールのダイナミクスと相対性理論

この発見の中心には、宇宙のどのような力がこのような強力なジェットの方向を変えることができるのかという重大な疑問が横たわっています。 その答えは、中心の超大質量ブラックホールに関連する形成である降着円盤の挙動に隠されている可能性があります。

落下物質は角運動量によってブラック ホールの周りを周回するため、円盤状の構造を形成し、徐々に内側に螺旋を描き、最終的にブラック ホールに引き込まれます。 しかし、ブラック ホールが回転している場合、周囲の時空に重大な影響を及ぼし、近くの物体がその回転軸に沿って引っ張られることになります。これは「フレーム ドラッグ」として知られる現象であり、アインシュタインの一般相対性理論によって予測されました。 。

研究チームの包括的な分析は、降着円盤の回転軸がブラックホールの回転軸からずれ、プレジェットが発生したことを示唆している。 この動きの検出は、M87 の超大質量ブラック ホールが実際に回転しているという明白な証拠を提供し、超大質量ブラック ホールの性質についての理解が深まります。

「私たちはこの重要な結果に満足しています」と杭州の研究機関である浙江研究所の博士研究員であり、この研究の筆頭著者である崔裕州氏は述べた。 「ブラックホールと円盤の間のずれは比較的小さく、歳差運動周期は約11年であるため、このブレークスルーを得るには、20年にわたってM87の構造を追跡する高解像度のデータ収集と包括的な分析が必要です。」

国立天文台の羽田和宏博士は、「EHTを使ってこの銀河のブラックホールの画像化に成功した後、このブラックホールが回転しているかどうかが科学者の間で大きな関心事になっている」と付け加えた。 「今、期待は確信に変わりました。この巨大なブラックホールはすでに回転しています。」

将来の貢献と影響

この研究では、東アジア VLBI ネットワーク (EAVN)、超長基線アレイ (VLBA)、KVN と VERA の共同アレイ (KaVA)、および東アジアからイタリアまでの世界全体で取得された合計 170 エポックの観測を利用しました。 (食べる)ネットワーク。 合計 20 台以上の望遠鏡が世界中からこの研究に貢献しました。

中国の電波望遠鏡もこのプロジェクトに貢献しており、その中には巨大な皿とミリメートル波長に対する高い感度を備えた中国の全長65メートルの天馬電波望遠鏡も含まれる。 さらに、新疆ウイグル自治区にある 26 メートルの電波望遠鏡により、EAVN 観測の角度分解能が向上しました。 この成果を得るには、高感度および高角度分解能を備えた高品質のデータが不可欠です。

「上海天文台にある40メートルのシガツェ電波望遠鏡は、EAVNのミリ波イメージング能力を向上させるでしょう。特に、望遠鏡が設置されているチベット高原は、（サブミリ波）波長観測に最適な立地条件の1つです。中国科学院上海天文台所長の陳志強教授は、「国内の天体観測施設を強化するという我々の期待に応えるものである」と述べた。

この研究は超大質量ブラックホールの神秘的な世界に光を当てる一方で、大きな課題も突きつけています。 降着円盤の構造と M87 超大質量ブラック ホールの正確な回転はまだほとんど不明です。 この研究はまた、この構成のソースがさらに存在することを予測しており、科学者が発見するのは困難となっています。

参考文献：「M87 の回転ブラックホールに接続するジェットノズル」（Yucho Kuei、Kazhiro Hada、川島智久、木野元樹、Weikang Lin、Yuukoizumoto Ru、Hyunwook Ru、Markei Honma、Kono Yi、Jintao Yu、Jongho Park、Wu）ジャン、チェン・ジーチャン、エフゲニア・クラフチェンコ、フアン・カルロス・アルガバ、チェン・シャオピン、周エリ、ガブリエレ・ジョバンニーニ、マルチェロ・ジロレッティ、チョン・テヒョン、ルー・シン・ルー、新沼耕太郎、オー・ジョンワン、ケン・オシュガ、サトコ・サワダ・サトウ、ボン・ウォン・ソン、ヒロユキ・R . 高橋、高村ミーコ、田崎文、サーシャ・トリップ、輪島清明、秋山和典、タオ・アン、浅田圭一、サルバトーレ・ボタッチョ、ド・ヨンビョン、ラン・クイ、萩原良明、広田知也、ジェフリー・ホジソン、川口敬之、ジェヨンキム、サンソン・リー、ジウォン・リー、ジョンイ・リー、ジュゼッペ・マッカフェッリ、アンドレア・メリス、アレクセイ・メルニコフ、カルロ・ミゴーニ、シジン・オー、杉山耕一郎、シュエジェン・ワン、インカン・チャン、チョン・チェン、チョ・ユン・ファン、チョン・ドンギュ、キム・ホリョン、キム・ジョンソク、小林秀行、リー・ビン、リー・グァンウェイ、リー・シャオフェイ、リウ・シオン、劉清輝、劉翔、オ・チュンシク、青山知明、九若公、王晋青、ナWang、Xiqiang Wang、Bo Xia、Hao Yan、Jae-hwan Yum、米倉義則、Jianping Yuan、Hua Zhang、Rongping Zhao、および Yi Zhong、2023 年 9 月 27 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-06479-6