星を殺す「ブラックホール風」が遠方の銀河で発見された

masapoco
投稿日
2024年2月8日 12:12
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直接見ることはできないが、そこにあることは分かっている。超大質量ブラックホール(SMBH)は、おそらくすべての大きな銀河の中心に存在している。その圧倒的な重力が物質を引き寄せ、降着円盤に集まり、事象の地平線を越えて忘却の彼方へと向かう順番を待っている。

しかし、ある銀河では、SMBHが食事を詰まらせて吐き出し、物質を高速で飛ばし、近隣全体を一掃してしまった。

1960年代初頭、天文学者が巨大楕円銀河の中心に原因不明の電波源を発見して以来、巨大銀河の中心に何かがあることは知られていた。天文学者たちはそれを恒星だと考えたが、そのスペクトルは意味を成さなかった。その電波源は約24億光年と非常に遠かったため、何百もの銀河のエネルギーを放射していることになる。その天体が放つ光の速度はさまざまで、それを表すためにクエーサー(準恒星状天体)という言葉が生まれた。

その後、さらに多くのクエーサーが発見され、やがて天文学者たちは、ガスが巨大なコンパクト天体に落下することで、自分たちが見ているものができることに気づいた。さらに研究を進めると、ガスは降着円盤と呼ばれる回転する円盤を天体の周りに形成することがわかった。天文学者たちはまた、銀河の中心付近で奇妙な動きをする星を観測し、その速度と動きを説明できるのは、巨大な天体だけであることを突き止めた。

1970年代までに、天文学者は天の川銀河の中心にこのような巨大天体があると考えた。1974年、天文学者たちはそれを発見し、いて座A*と名付けた。やがて、すべてではないにせよ、ほとんどの大きな銀河の中心にSMBHがあることを示す証拠が増えていった。現在では、降着円盤、ブラックホール、活動銀河核(活発に物質を消費し、多くの放射線を放出しているブラックホール)の間の関連性が理解されている。

これが現在のSMBHの姿だ。SMBHは銀河の中心に潜む巨大でコンパクトな天体である。何億、何十億という太陽質量を持つこともある。SMBHは物質を引き寄せ、その物質は降着円盤に集まる。降着円盤は加熱され、放射線を放出し、絡み合った磁場が天体物理学的なジェットを極から噴出させる。

降着円盤の物質がすべて事象の地平面を越えるわけではない。降着円盤の物質が消費されるのは、ほんの一部だ。エディントン限界に達すると、残りは銀河中心部のガスを引きずりながら宇宙空間に放出される。

天文学者たちは、Markarian 817銀河の遠方に、この図式を覆すSMBHを発見した。SMBHの降着円盤の向こう側では、中性のガスと塵がトーラスを形成している。同じ領域に、星間星形成ガスの雲が、SMBHの重力が届くすぐ先に存在している。遠いSMBHは、降着円盤から大量の物質を高速で宇宙空間に送り出し、その領域のガスをすべて一掃した。そのため、銀河中心部での星形成が阻害された。

この発見は、『The Astrophysical Journal Letters』誌の新しい研究で発表された。タイトルは “Fierce Feedback in an Obscured, Sub-Eddington State of the Seyfert 1.2 Markarian 817“。筆頭著者はミシガン大学の学部生研究者Miranda Zakである。

天文学者は以前にも、銀河中心から物質を追いやるSMBHを発見している。彼らはこれを『ブラックホール風』と呼んでおり、物質を蓄積できる限界に達した非常に明るい降着円盤の周りで検出した。ブラックホール風は、余分な物質を宇宙空間に投げ出す。

しかし「Markarian 817」では、円盤はあまり明るくない。つまり、エディントン限界にも質量蓄積限界にも達していないはずだ。発見を発表したプレスリリースによれば、「間食」をしているに過ぎない。

「扇風機の風速を最大にすると、非常に速い風が吹くことが予想されます。Markarian 817と呼ばれる我々が研究した銀河では、扇風機の出力は低く設定されていたが、それでも信じられないほどエネルギッシュな風が発生していました」と、Zak氏は述べている。

科学用語では、これらの風は超高速流出(UFO)と呼ばれる。UFOの速度は時速数百万マイルで、天文学者はエディントン限界に達した降着円盤から発生するのを発見している。しかし、これは違う。

「UFOはしばしばエディントン限界かそれ以上で検出される。この結果は、ブラックホール降着が、控えめなエディントン分率であっても、ホスト銀河を形成する可能性があることを示している」と、著者らは研究の中で述べている。

ブラックホール降着とその結果生じるUFOは、ガスをすべて吹き飛ばすことによって、銀河中心付近での星形成を抑制することができる。強力な風はSMBHの燃料も運び去り、降着円盤に供給する新しいガスがなければ、SMBHの光ははるかに少なくなる。

「超高速の風を観測するのは非常に珍しく、銀河の性格を変えるほどのエネルギーを持つ風を検出するのはさらに稀です。Markarian 817は、特に活発な状態でないにもかかわらず、このような風を1年ほど発生させていたという事実は、ブラックホールが、これまで考えられていたよりもはるかに多くの銀河の形を変えている可能性を示唆しています」と、イタリア、ローマ・トレ大学の天文学者である共著者のElias Kammounは、付け加えた。

この発見には複数の望遠鏡と天文台が貢献している。降着円盤の物質が熱せられるとX線を放出する。しかし、研究者たちがNASAのスイフト天文台でMarkarian 817を観測したところ、X線はほとんど検出されなかった。「X線の信号があまりにも微弱だったので、何か間違っているのではないかと確信しました!」と主執筆者のMiranda Zakは叫んだ。

しかし、スウィフト望遠鏡はX線観測に適していない。そこで天文学者たちは、ESAのXMM-Newton X線天文台を利用した。その観測によって、Markarian 817のUFOがSMBHのコロナ、つまりホールの周囲からのX線を遮断していることがわかった。別のX線観測装置であるNASAのNuSTAR望遠鏡は、これらの観測を確認した。

Markarian 817のUFOは1年しかもたなかった。しかし、その間に銀河の中心を再形成した。この研究は、ブラックホールとそのホスト銀河がどのように互いを形作り、互いの進化に強力な影響を及ぼしているかを詳細に示している。

この研究はまた、天の川銀河を含むいくつかの銀河の中心が、なぜあまり活発な星形成を示さないのかにも光を当てている。中心部のSMBHが星形成ガスを吹き飛ばしているのだ。しかし、これはUFOが十分に強力で、十分に長く続く場合にのみ起こりうる。

SMBHの降着とフィードバック、そしてそれがどのように銀河を形成するかは、天体物理学者がもっと知りたいと思っていることだ。今回の例では、ESAのXMM-Newtonが、Markarian 817で何が起こっているかを決定する上で重要な役割を果たした。

Norbert SchartelはXMM-Newtonのプロジェクト・サイエンティストである。この研究に直接参加しているわけではないが、SchartelはSMBHの近くで起こっていることを読み解くためにXMM-Newtonがいかに重要であるかを語った。

「ブラックホールの研究における多くの未解決の問題は、重要な事象を捉えるために何時間にも及ぶ長時間の観測によって検出を達成することです。このことは、XMM-Newtonミッションの将来における重要性を浮き彫りにしている。XMM-Newtonの高感度と長時間の連続観測を両立できるミッションは他にありません」。


この記事は、EVAN GOUGH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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