天の川銀河中心の巨大ブラックホール天体「いて座A*」の構造

2022-02-24

2022-02-22 国立天文台水沢VLBI観測所,東京大学宇宙線研究所,工学院大学,計算基礎科学連携拠点

成果報告

東アジアVLBI観測網による波長1.3センチと7ミリ帯の電波観測データから、天の川銀河の中心にひそむ巨大ブラックホール天体「いて座A^∗ (エースター)」の詳しい構造が明らかになりました。観測で得られた放射領域の大きさは、いて座A^∗の巨大ブラックホールに降着するガス流の中に極めて高いエネルギーに加速された非熱的電子(注1) が含まれていることを、そして放射領域のほぼ円形な形状は、降着円盤の回転軸(もしくは微弱なジェットの噴出方向)がほぼ地球方向に向いている可能性を示唆しています。本研究はスペインのアンダルシア天体物理研究所に所属する趙壹濟(チョウ・イルジェ)氏が率いる研究チームを中心として行われ、2022年2月22日に米国の天体物理学専門誌「アストロフィジカルジャーナル」に掲載されました。

図１：左：天の川銀河の中心方向の様子。右：東アジアVLBI観測網によって得られたいて座A^∗の構造（上側が波長1.3cm帯、下側が波長7mm帯による画像）。各波長とも、左側の画像が星間散乱によってぼやけた「生の」観測画像であり、右側の画像が散乱の影響を除去して復元されたいて座A^∗の本来の構造。画像上の横線の長さ「1mas」は約0.0001光年に相当します。
画像クレジット：(左図)MeerKAT/SARAO; (右図)IAA-CSIC/国立天文台

天の川銀河の中心にある電波源「いて座A^∗」は、周辺の星々の運動の様子からコンパクトで大質量な天体が存在していることが発見され、2020年のノーベル物理学賞受賞につながった天体です。このコンパクトな天体は、太陽の約400万倍の質量をもつ巨大ブラックホールと考えられています。いて座A^∗は地球から２万６千光年の距離にある最も近い巨大ブラックホールであり、その性質を調べるのに最も適した天体として注目されています。しかし、いて座A^∗の観測には、銀河系内に存在する星間ガスによる散乱によって天体の電波画像がぼやけてしまう問題が知られていました。そこで研究チームは今回、過去の観測データに基づく星間散乱モデルを考慮し、東アジアVLBI観測網（EAVN）によるいて座A^∗の電波観測画像を注意深く補正することで、いて座A^∗の本来の構造を求めました。その結果、その固有形状は、波長1.3cm帯と7mm帯でともにほぼ円形であることが分かりました(図1)。

「星間散乱の影響を補正する前のいて座A^∗の形状は、東西方向により細長くなっています。今回の東アジアVLBI観測網による観測で、この形状の伸びのほとんどが星間散乱の影響によるものであることが明らかになりました。」と本研究をリードしたアンダルシア天体物理研究所の趙壹濟(チョウ・イルジェ)氏は述べています。

東アジアVLBI観測網は、日本11台、韓国4台、中国6台の計21台の電波望遠鏡から構成されています。今回は、そのうちの10台を波長1.3cm (22GHz)帯で、8台を波長7mm (43GHz)帯で使用しました(図２)。本観測は、東アジアVLBI観測網コンソーシアム傘下の活動銀河核サイエンスワーキンググループの大規模観測プログラムの一環として、また、イベントホライズンテレスコープ (EHT)の多波長キャンペーン観測の一環として、2017年4月に実施されました。

図２：今回の観測で用いた東アジアVLBIネットワークの電波望遠鏡と観測周波数帯。
画像クレジット：EAVN

同じく2017年4月に実施されたオランダのラドバウド大学のサラ・イッサオウン氏らによる3mm帯での観測データと組み合わせて、いて座A^∗固有の大きさ・明るさと観測波長との関係を明らかにしました。時間差2日以内というほぼ同時期のVLBI観測データでこの関係を得たのは初めてのことです。より短い波長でも同じ関係があると仮定すると、波長1.3mm帯におけるいて座A^∗の大きさと明るさを予測することもできます。「東アジアVLBI観測網の観測結果は、いて座A^∗のブラックホール影の初撮影を目指すEHT2017のデータ解析に大きく貢献するものです。」とEHTコラボレーションの星間散乱ワーキンググループのコーディネーターを務めるアンダルシア天体物理研究所の趙光耀 (ジャオ・ガンヤオ) 氏は述べています。

「観測で得られたいて座A^∗の固有サイズと降着円盤の理論シミュレーションと比較すると、巨大ブラックホールへのガス降着流には非熱的電子が含まれていることが示唆されます。ほぼ円形の形状からは、ガス降着流の回転軸がほぼこちらに向いていると考えられます。」と国立天文台天文シミュレーションプロジェクトのスーパーコンピュータ・アテルイⅡを用いて理論計算を担当した東京大学宇宙線研究所の川島朋尚氏は述べています。

いて座A^∗の電波放射は、降着流とジェットのどちらから来ているのか？については、長らく議論が続いています。今回の研究によって降着流シナリオについての理解が進展しましたが、ジェットシナリオでも観測結果を説明することが可能です。「シナリオを絞り込むためには、東アジアVLBI観測網の２周波数同時受信機による今後の観測が鍵のひとつとなるでしょう。」と東アジアVLBI観測網の活動銀河核サイエンスワーキンググループのコーディネーターを務める工学院大学の紀基樹氏は述べています。

EHTコラボレーションの多波長観測ワーキンググループのコーディネーターを務める国立天文台水沢VLBI観測所の秦和弘氏は、「本研究成果は波長1.3mm帯でブラックホール撮影を目指すEHTにとっても大きな弾みとなる成果です。EHTによるいて座A^∗の観測成果も楽しみに待っていてほしい。」と述べています。