超巨大ブラックホールの回転確認 – アインシュタインの一般相対性理論が光を放つ

M87銀河 ブラックホール アインシュタインの一般相対性理論予測と一致する20年間の研究で推論されたように回転を確認する振動ジェットを示します。

地球から5,500万光年離れた近くにある電波銀河M87は太陽より65億倍大きいブラックホールを抱えており、約10度の振幅で上下に揺れる振動ジェットを見せてブラックホールの存在を確認させてくれる。 回転。

中国研究員 Yuzhu Cui 博士が主導したこの研究は、 自然 9月27日に電波望遠鏡のグローバルネットワークを使用する国際チームによって行われました。

研究チームは2000年から2022年まで望遠鏡データを広く分析し、アインシュタインの一般相対性理論で予測したようにジェットベースの洗車運動が11年周期で繰り返されることを明らかにしました。 この研究は、ジェットの力学を中心超大質量ブラックホールと結び付け、M87のブラックホールが回転するという証拠を提供します。

超大型ブラックホール現象

私たちの宇宙で最も破壊的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、膨大な重力と力によって膨大な量の物質を蓄積することができます。 血漿 ジェットと呼ばれる流出は光の速度に近づき、数千光年離れたところまで広がります。

超大質量ブラックホールとその降着円盤、相対論的なジェットの間のエネルギー伝達メカニズムは、過去1世紀の間に物理学者と天文学者を混乱させました。 支配的な理論は、回転するブラックホールからエネルギーを抽出することができ、それによって超巨大ブラックホールの周りのいくつかの物質が膨大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、この過程で重要な要素であり、ブラックホール質量以外の最も基本的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察されませんでした。

トップパネル：2013年から2018年までに観察された隔年スタッキングデータに基づく43GHz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。 下部パネル：2000〜2022年の年間累積画像に基づいて最も適した結果です。 緑色の点と青色の点は、それぞれ22 GHzと43 GHzの観測から得られたものです。 赤い線は、洗車モデルに応じて最適なフィットを示します。 出典：Yuzhu Cuiら、2023

M87に焦点を当てる

今回の研究で研究チームは1918年に初めて観測天体物理学的ジェットが観測されたM87に注目した。 その近接性のおかげで、ブラックホールに近いジェット形成領域はVLBI（Very Long Baseline Interferometry）で細かく分解することができます。 最近、EHT（Event Horizo​​n Telescope）を使用したブラックホールシャドウイメージングで表現されています。 研究チームは過去23年間に得たM87のVLBIデータを分析し、ベースで周期的な洗車ジェットを感知して中央ブラックホールの状態に対する洞察を提供した。

ブラックホール力学と相対性理論

この発見の中心には、次の重要な質問があります。 宇宙のどの力がそのような強力なジェットの方向を変えることができますか？ その答えは、中心超大質量ブラックホールに関連する構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。

流入する物質は、角運動量によりブラックホールの周りを公転しながらディスクのような構造を形成した後、運命的にブラックホールに吸い込まれるまで内側に徐々に螺旋状に移動する。 しかし、ブラックホールが回転すると周辺時空間に大きな影響を及ぼし、周辺物体が回転軸に沿って引き寄せられることになり、これはアインシュタインの一般相対性理論で予測した「フレームドラッグ」現象だ。

研究チームの広範な分析によると、降着円盤の回転軸がブラックホールの回転軸とずれて洗車ジェットが発生することがわかった。 この洗車運動を感知すると、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確な証拠が提供され、超大質量ブラックホールの本質の理解が向上します。

杭州の研究機関であるZhejiang Labの博士後研究者であり、論文の主な著者であり、交信著者であるYuzhu Cuiは、「私たちはこの重要な発見にとても嬉しいです」と述べました。 「ブラックホールと円盤間の整列不良が比較的小さく、洗車周期が約11年であるため、この成果を得るには、20年にわたってM87の構造を追跡する高解像度データの蓄積と徹底的な分析が不可欠です。」

日本国立天文台（National Astronomical Observatory）の鎌和博（Kazuhiro Hada）博士は「EHTを利用してこの銀河系でブラックホール映像を正常に撮影した後、このブラックホールが回転するかどうかは科学者の間で主な関心事になりました」と付け加えました。 「今の期待は確信に変わりました。 このモンスターブラックホールは実際に回転しています。」

貢献と今後の示唆

これは、東アジアのVLBIネットワーク（EAVN）、Very Long Baseline Array（VLBA）、KVNとVERAの合同アレイ（KaVA）、東アジアからイタリアまでの合計170エポックの観測データを活用しました。 グローバル（EATING）ネットワーク。 全体として、世界中の20以上の望遠鏡がこの研究に貢献しました。

巨大なプレートとミリメートル波長で高い感度を持つ中国のTianma 65メートル電波望遠鏡を含む、中国の電波望遠鏡もこのプロジェクトに貢献しました。 また、伸長26メートルの電波望遠鏡は、EAVN観測の角度分解能を向上させます。 このような成果を得るには、高感度と高角度分解能の両方を備えた優れた品質のデータが不可欠です。

Shanghai Astronomical Observatoryの建物内のShigatse 40メートル電波望遠鏡は、EAVNのイメージング性能をミリメートル単位でさらに向上させます。 特に望遠鏡が位置するチベット高原は、（サブ）ミリメートル波長観測に最適な場所条件を保有している。 これは、天文観測のための国内サブミリメートル施設を促進するという私たちの期待を満たすことです。

この研究は、超大量ブラックホールの不思議な世界を明らかにするとともに、大きな課題を提示します。 沈着円盤の構造とM87超大質量ブラックホール回転の正確な値は依然として非常に不確実です。 この研究はまた、これらの構成を持つより多くの情報源があると予測しているため、科学者がそれを見つけるのに苦労しています。

注：Yuzhu Cui、Kazuhiro Hada、Tomohisa Kawashima、Motoki Kino、Weikang Lin、Yosuke Mizuno、ヒョンウク・ノヒョンウク、Mareki Honma、Kunwoo Yi、Jintao Yu、Jongho Park、Wuの「M87の回転ブラックホールに接続する洗車ジェットノズル」 Jiang, Zhiqiang Shen, Evgeniya Kravchenko, Juan-Carlos Algaba, Xiaopeng Cheng, Ilje Cho, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, チョン・テヒョン, Ru-Sen Lu, Kotaro Niinuma, オ・ジョンファン, Ken Ohsuga, Satoko Sawada-Satoh, ソンボン高橋、田中美子、藤沢智也、佐賀トリッペ、桐山智也、柳里あきやま、淘アン、慶一アサダ、サルヴァトーレブタッチョ、ビョンドヨン、ランキュイ、吉木浩原、藤谷寛次、ジェフフリー・ホッジソン、ノリウォン、イ・ジョンエ、Giuseppe Maccaferri、Andrea Melis、Alexey Melnikov、Carlo Migoni、Osejin、Koichiro Sugiyama、Xuezheng Wang、Yingkang Zhang、Zhong Chen、Ju-Yeon黄銅ギュ、キム・ヒョリョン、キム・ジョンスク、小林秀幸, 龍二龍, 龍明笛, 龍山, 虫よけ, 大山智明, 野徳牛 , Jinqing Wang, Na Wang, Shiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-Hwan Yeom, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongbing Zha 、2023年9月27日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-06479-6