一般相対性理論の予測と一致して、M87 ブラックホールの最新の研究結果が Nature 誌に掲載

9月27日、ネイチャー誌は45の機関で構成される国際科学研究チームの最新の研究結果を発表した。 2000年から2022年までの観測データを解析した結果、M87銀河の中心にあるブラックホールジェットは、揺動周期が約11年、振幅が約10度の周期的な揺動を示していることが判明した。この現象は、「ブラックホールが回転状態にある場合、基準系の抗力効果が生じる」というアインシュタインの一般相対性理論の予測と一致する。この研究結果は、M87 ブラックホールスピンの存在に対する強力な観測証拠を提供します (図 1)。 Zhijiang Laboratory のポスドク研究員である Cui Yuzhu は、この論文の筆頭著者および責任著者です。

# 図 1 傾斜降着円盤モデルの模式図。ブラックホールの自転軸が鉛直上向き、ジェットの方向が降着円盤の表面に対してほぼ垂直、ブラックホールの自転軸と降着円盤の回転軸の間にある角度があると仮定します。傾斜した降着円盤モデルである円盤。ブラックホールと降着円盤の角運動量の方向間の角度が、降着円盤とジェットの歳差運動を引き起こします。 (出典: Yuzhu Cui et al. 2023、Intouchable Lab@Openverse Hezhijiang Laboratory)

ジェットの周期的な歳差運動の捕捉に成功##On 2019年4月10日、世界中の天文学者がブラックホールの最初の写真を一斉に公開した。この銀河は、地球から 5,500 万光年離れた近くの銀河 M87 の中心に位置しており、その質量は太陽の 65 億倍です。このような超大質量ブラックホールは、宇宙で最も神秘的で破壊的な天体の 1 つです。重力が巨大なため、降着円盤を通して大量の物質を「食べる」と同時に、光速に近い高速で数千光年彼方に物質を「吐き出し」、ジェット機。

「奇妙な真っ直ぐな光線が、かすかな光点の中心から発せられました。」 1918 年、天文学者は初めて M87 でジェットを観測しました。これは人類が観測した最初の宇宙ジェットです。超大質量ブラックホール、降着円盤、ジェット間のエネルギー伝達メカニズムは何ですか?この疑問は、1世紀以上にわたって物理学者や天文学者を悩ませてきました。

現在、科学者の間で広く受け入れられている理論は、ブラック ホールの角運動量がエネルギー源であるということです。一つの可能​​性としては、ブラックホールの近くに磁場があり、ブラックホールが回転状態にあると、導体が磁力線を切るように電場が発生し、それによってブラックホールの周囲のイオン化物質が加速され、最終的にはブラックホールが回転する可能性がある。物質の一部は巨大なエネルギーを伴って放出されるでしょう。中でも、超大質量ブラックホールの回転は、この理論の重要な要素です。しかし、ブラックホールの回転パラメータの測定は非常に難しく、ブラックホールが回転状態にあるかどうかの直接的な観測証拠はまだありません。

この困難な問題を研究するために、研究者たちは、M87 銀河の中心にある超大質量ブラック ホールとそのジェットを研究しました。天文学者は、超高角度分解能を備えた超長基線干渉法 (VLBI) を使用して、ブラック ホールに非常に近いジェット構造を解明しました。 科学研究者らは、2000 年から 2022 年までの VLBI 観測データを分析することにより、M87 のジェットの周期的な歳差運動を捉えることに成功しました (図 2) (歳差運動: 回転する剛体は外力によって引き起こされます。特定の中心の周りの回転軸）。

この強力なジェットの方向を定期的に変えることができる力は何ですか?

研究チームは広範な分析を行った結果、この疑問に対する答えは降着円盤の動的特性に隠されている可能性があると結論付けました。特定の角運動量を持った物質は、ブラック ホールの周りを周回して降着円盤を形成し、ブラック ホールの重力により、ブラック ホールに不可逆的に「吸い込まれる」までブラック ホールに近づき続けます。しかし、降着円盤の角運動量はさまざまなランダムな要因によって影響を受ける可能性があり、降着円盤がブラックホールの自転軸に対して一定の角度を持っている可能性が非常に高いです。しかし、ブラック ホールの超強力な重力は周囲の時空に大きな影響を与え、近くの物体をブラック ホールの回転方向に沿って引きずります。これが、アインシュタインの一般論によって予測された「基準フレームドラッグ効果」です。相対性理論により降着が引き起こされ、円盤とジェットは周期的に歳差運動をします。

#書き直された内容: Yuzhu Cui et al. (2023) の研究結果によると、図 2 は 2013 年から 2018 年までの 2 年ごとの M87 の合体ジェット構造を示しています (観測周波数帯域は 43 GHz)。対応する年は、各部分図の左上隅にマークされています。白い矢印はジェットの位置角度を示します。以下のグラフは、2000 年から 2022 年までの 1 年間を基準に統合された画像に基づいて最もよく適合したものです。緑の点と青の点は、それぞれ 22 GHz と 43 GHz の観測周波数帯域のデータを表します。赤い線は、歳差運動モデル # に従った最適な結果を表します。

研究チームは、観測結果に基づいて詳細な理論的調査と解析を数多く実施し、M87の特性と組み合わせて、スーパーコンピューターを使用して最新の数値シミュレーションを実施しました。数値シミュレーションの結果、降着円盤の回転軸とブラックホールの自転軸との間に角度があると、基準系の抗力効果により降着円盤全体が歳差運動し、ジェットも同様に運動することが確認された。降着円盤の影響を受ける可能性があります。 ジェットの歳差運動を検出すると、M87 の中心にあるブラック ホールの回転に関する強力な観測証拠が得られ、超大質量ブラック ホールの特性について新たな理解がもたらされます。

ブラック ホールのさらなる謎を解明するには、計算の助けが必要です

「これを重要なものにすることができて、私たちはとても嬉しく、幸運です」 2017 年に M87 銀河の EAVN データを処理していたときに、ジェットの構造が以前の方向とは大きく異なることに気づき、それ以来 6 年間にわたる詳細なデータ処理、広範な理論研究、そして数え切れないほどの議論が始まりました。論文の筆頭著者であり責任著者である志江研究所の博士研究員である崔玉珠氏は、ブラックホールの回転軸と降着円盤の角運動量の間の角度が小さいため、歳差運動の周期が変化すると述べた。 10 年以上にわたる研究、23 年間の高解像度データの蓄積、M87 の構造の慎重な分析、これらがこの結果を達成するための必要条件です。

Cui Yuzhu に感謝します。多くの協力者の協力とサポート、そしてジャーナル編集者や査読者からの貴重なコメント。私たちの記事の査読者の 1 人が、VLBI 電波天文学研究の分野の伝説的人物である James Moran であることは言及する価値があります。

この研究には東アジアの VLBI ネットワークが使用されていると報告されています。地球規模の 20 以上の電波望遠鏡がこの研究に貢献しました。

図 3 東アジアの VLBI ネットワークにおけるこの論文に参加している望遠鏡の分布 (出典: 葉田和宏、崔有珠) et al . 2023)

活動銀河核に関する EAVN 科学ワーキンググループのコーディネーターである工学院大学の木野元樹博士は、次のように述べています。世界中の 45 機関の研究者による長年にわたる共同観測の結果、私たちはついにこの科学的謎を明らかにしました。観測データは歳差運動モデルの予測と完全に一致し、ブラック ホールとジェット システムに関する私たちの理解を大幅に前進させました。」

##「この研究に基づいて、同様の傾斜した降着円盤構造を持つ銀河中心ブラックホールがさらに存在すると予測していますが、傾斜した降着円盤を持つより多くの天体を検出する方法は、より大きな課題に直面しています。まだ多くの謎が残っています」この成果の重要な協力機関である中国科学院上海天文台の沈志強研究員は、「上海天文台のシガツェ40メートル電波望遠鏡は、最近建設を進めていた「EAVN」が完成しました。今後、EAVNの高解像度ミリ波画像観測能力がさらに向上し、より多くの天体発見につながることが期待されます。」

崔玉珠氏は、降着円盤とM87超大質量ブラックホールの微細構造については、スピンの正確な値についてはまださらなる研究が必要であると述べた。このさらなる研究は非常に多くの物理パラメータの検索に依存しており、超インテリジェントなコンピューティング能力のサポートが必要です。

現在、志江研究所は、高速電波バーストや天体化学などの分野で BlinkVerse を構築するための 17 のインテリジェント アルゴリズムをまとめた、FAST@ZJLAB インテリジェント コンピューティング天文学オープン プラットフォームを構築しています。 .cn」、ChemiVerseなどの科学データベースと連携し、中国Sky Eye FASTとの安定した伝送チャネルを確立し、天文ビッグデータが収集され続けています。

China Sky Eye FAST の主任科学者であり、志江研究所の天文コンピューティングの主任研究者でもある Li Ge 氏は、電波望遠鏡の建設が進むにつれ、観測データは爆発的に増加すると述べています。そのため、天文学研究ではインテリジェント コンピューティングのサポートがますます必要になります。志江研究所は、人工知能、クラウドコンピューティング、その他の技術を天文学研究に導入して、データ処理効率を向上させ、物理パラメータの探査空間を拡大しています。私たちは、計算科学と電波天文学の深い統合が、ブラックホールなどの宇宙の神秘的な現象の本質の解明を効果的に促進すると信じています。

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