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M87ブラックホールが実際に回転している事が確認された

5500万光年離れたM87として知られる銀河に、超巨大ブラックホールがある。65億個分の太陽の質量と同等の質量を持つ強力に活動的なブラックホールで、2019年、直接撮像された最初のブラックホールとなった。イベント・ホライゾン・テレスコープ(EHT)が捉えた電波画像は、ブラックホールの重力によってゆがめられた周囲の光のハローがこちらに向けられていることを示している。ハローの片側では光が明るくなっているが、これは一般相対性理論によればブラックホールの自転またはスピンに起因する。ブラックホールが回転していることが初めて直接確認されたのである。『Nature』誌に発表された新しい研究は、回転の証拠をさらに与えてくれた。

M87の超巨大ブラックホールが回転していることは驚くべきことではない。恒星から惑星まで、あらゆるものが回転しているのだから、天文学者はすべてのブラックホールも回転していると考えている。課題はそれを証明することだ。ブラックホールには表面の特徴がないので、ブラックホールの自転を決定する唯一の方法は、空間と時間に対するねじれの影響と、それが近くの光、ガス、塵にどのような影響を与えるかによって決まる。EHTの観測結果はブラックホールが回転していることと矛盾しないが、もちろん、これは一般相対性理論が正しいことを前提としている。だから、その仮定に頼らない回転の証拠があればいいのだが。

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M87のブラックホールの電波画像。 (Credit: EHT Collaboration)

この新しい研究は、歳差運動として知られる回転効果に注目している。回転コマなどでこの効果に気づいたことがあるかもしれない。コマを回転させると、その向きが徐々にずれていくのに気づくかもしれない。回転軸は、地球の重力に引っ張られて倒れようとするために歳差運動をするのだ。多くの回転体が回転している。例えば、地球は月の引力のおかげで回転している。何千年も前の北極星が北極星ではなく、ドラコ座のトゥバン星だったのはこのためだ。

M87のブラックホールは活発であるため、ブラックホールの回転極から光速に近い速度で流れ出る巨大なジェットが発生する。もしブラックホールが歳差運動をしているならば、ジェットの方向は時間とともに変化するはずである。今回の研究では、この点を調べたのである。

研究チームは、ブラックホールのジェットに関する17年以上の電波データを分析し、ジェットの向きが時間とともにわずかに変化することを発見した。ジェットの向きは、8年から10年の周期で約10度振動している。これはブラックホールの自転軸がこの範囲で歳差運動していることを意味する。歳差運動は自転の直接的な影響なので、ブラックホールが回転していることを裏付ける。

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M87ジェットの歳差運動はブラックホールの回転を意味する。 (Credit: Cui, et al (2023))

研究チームは自転を確認したものの、ブラックホールが歳差運動をする原因は一体何なのかという疑問を投げかけている。地球や頂上が歳差運動をするのは、他の天体から引力を受けるからである。M87ブラックホールはこの部屋で最大の質量であり、近くに同じような質量の天体はない。では何が原因なのか?その答えは、フレーム・ドラッグとしても知られるレンス・サーリング効果にあるかもしれない。一般相対性理論では、回転する質量はその周りの時空をねじ曲げる。地球のような天体の場合、この効果はごくわずかだが、観測されている。ブラックホールの場合、レンズ・サーリング効果は強力である。そのため、ブラックホールを取り囲む降着円盤の物質がわずかに斜めになり、その物質がブラックホールに消費されるときに、ブラックホールにわずかなトルクがかかり、ブラックホールが歳差運動を起こすという可能性がある。もしそれが本当なら、他の多くの超大質量ブラックホールのジェットにも同様の効果が見られるはずだ。

この研究が素晴らしいのは、ブラックホールの動的挙動に関する確かなデータを与えてくれることだ。ブラックホールが環境とどのように相互作用するかを理解するために、純粋に計算モデルに頼る必要はない。モデルとデータを比較することで、ブラックホールだけでなく、ブラックホールが存在する銀河についても理解を深めることができるのだ。


論文

研究の要旨

近傍の電波銀河M87は、中心の超大質量ブラックホールと相対論的ジェットのつながりを探るユニークな機会を提供してくれる。M87の内部領域に関するこれまでの研究により、ブラックホール近傍で発生するジェットの開口角が広いことが明らかになった。イベント・ホライゾン・テレスコープは、中央の電波源を分解し、一般相対性理論からの予想と一致する非対称リング構造を発見した5。17年間の観測の結果、ジェットの横方向の位置にずれがあり、おそらく8年から10年の準周期から生じていることがわかった。しかし、この横ずれの起源は不明なままである。ここでは、22年間にわたる電波観測の解析から、ジェットの位置角度の変動に約11年の周期があることを示唆する結果を報告する。私たちは、回転するブラックホールが、ずれた降着円盤のLense-Thirring歳差運動を引き起こしていると推測している。同じようなジェットの歳差運動は、他の活動銀河核でもよく見られるが、その大きさが小さく、周期が長いため、検出が困難であった。


この記事は、BRIAN KOBERLEIN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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