巨大ブラックホール周辺の磁場を初めて測定～ブラックホールコロナの加熱メカニズム特定へ～

本研究成果は、これまでの巨大ブラックホール周辺構造の理解に再考を迫るものと考えられます。 銀河中心にある巨大ブラックホール周辺には、太陽と同じように高温プラズマ[4]のコロナが存在します。太陽のコロナは磁場によって加熱されていることから、ブラックホールのコロナの加熱源も磁場だと考えられていました。しかしこれまで、ブラックホール周辺の磁場は観測されておらず、その真相は謎に包まれていました。2014年に共同研究チームは、コロナからの電波放射の存在を予言し、それが観測できれば磁場測定が可能となり、コロナの加熱機構を解明できることを理論的に示していました。

今回共同研究チームは、アルマ望遠鏡を用いて、90～230ギガヘルツ（GHz、1ギガは10億）の電波帯域で二つの活動銀河[5]の中心領域を高感度・高分解能で観測しました。その結果、自らの予言どおり、いずれの巨大ブラックホールからもコロナ由来の電波放射を捉えることに成功しました。そして、その電波放射成分から計算によって導かれたコロナの磁場強度は、従来の理論予測よりもはるかに小さく、磁場ではコロナを十分に加熱できないことが判明しました。

本研究は、米国の科学雑誌『The Astrophysical Journal』オンライン版（12月17日付け：日本時間12月18日）に掲載されます。

※研究支援

本研究は、文部科学省卓越研究員事業「理論と観測から解き明かす巨大ブラックホール物理（研究代表者：井上芳幸）」による支援を受けて行われました。

※共同研究チーム

理化学研究所 数理創造プログラム
上級研究員 井上 芳幸（いのうえ よしゆき）

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
助教 土居 明広（どい あきひろ）

背景

宇宙には数千億から数兆個もの銀河が存在していると推定されていますが、どの銀河の中心にも、太陽質量の100万倍から100億倍に達する「巨大ブラックホール」が存在すると考えられています。そして巨大ブラックホールには、その周辺が銀河よりもはるかに明るく輝いているものがあり、このような巨大ブラックホールを含む銀河は「活動銀河」と呼ばれています。

巨大ブラックホールの周辺には、コロナ（高温プラズマ）が存在します。太陽周辺のコロナの温度が約100万度であるのに対して、巨大ブラックホールのコロナは約10億度に達することがX線観測から知られています。太陽のコロナは磁場によって加熱されていることから、巨大ブラックホールのコロナの加熱源も磁場だと予想されていました。しかし、これまでブラックホール近くの磁場は測定されたことがなく、巨大ブラックホールのコロナの加熱機構は謎に包まれていました。

共同研究チームは2014年に、巨大ブラックホールのコロナから電波が放射されていることを予言し、ミリ波・サブミリ波干渉計のアルマ望遠鏡を用いれば、その電波観測をもとに磁場が測定できることを理論的に示していました注1）。今回、共同研究チームは自らの理論予言の実証を試みました。

注1) “Unveiling the nature of coronae in active galactic nuclei through submillimeter observations”, Yoshiyuki Inoue & Akihiro Doi, Publications of the Astronomical Society of Japan, Volume 66, Issue 6, L86,

研究手法と成果

共同研究チームはアルマ望遠鏡を用いて、地球から2.2億光年の距離にある活動銀河IC 4329Aと、5.8億光年の距離にある活動銀河NGC 985を観測しました。さらに、電波干渉計のVLA望遠鏡[6]とATCA望遠鏡[7]で観測されたデータも用いて、広い電波帯域で活動銀河の電波スペクトルの取得に成功しました。

図1に、活動銀河IC 4329Aの観測結果を示します。この活動銀河では、中心から非常に細いプラズマ流の「相対論的ジェット[8]」が放出されています。VLA望遠鏡とATCA望遠鏡による1～30ギガヘルツ（GHz、1GHzは10億ヘルツ）帯域の観測データ（図1のピンクの四角、青丸）は、相対論ジェットからの放射成分（図1灰色の点線）であると考えられます。ところが、アルマ望遠鏡による90～230GHz帯域の観測データ（図1緑三角）は、このジェットでは説明できないほど明るい放射を示していました。新たに考案した、電波望遠鏡の性能の違いも考慮したデータ解析手法を用いたところ、この超過成分が、共同研究チームが予言していたコロナからの電波放射（図1赤破線）に対応することが分かりました。また、相対論的ジェット成分は、時間的にほぼ一定の明るさであることも分かりました。

コロナが放射する電波の成分をもとに計算した結果、コロナの大きさは約40シュバルツシルト半径[9]であり、磁場の強度は10ガウス程度であることが分かりました。今回測定された磁場強度はこれまでの理論予測(数百ガウス程度)よりもはるかに小さいものであり、巨大ブラックホールのコロナが磁場によって加熱されるとする従来の説に適用したところ、コロナはすぐに冷えてしまい、高温のコロナは存在できないことが分かりました。これらの結果は、今回観測した2天体に共通していることから、活動銀河中心にある巨大ブラックホールにおいて一般的にあてはまる可能性があります。これらの結果は、従来のコロナ加熱機構のシナリオに再考を迫るものです。

では、コロナはどのように加熱されているのでしょうか？コロナの大きさや磁場の強度に関する今回の研究結果に基づくと、物質が磁場によって加熱される代わりに、物質がブラックホールに向かって落ち込むことで（移流)、物質自身の重力エネルギーが熱化されることにより、高温コロナが維持されている可能性が考えられます。

今後の期待

巨大ブラックホール周辺の磁場や物質分布は、活動銀河から放出される相対論的ジェット形成に重要な役割を果たすと考えられていますが、その機構は分かっていません。巨大ブラックホール周辺のコロナの磁場を初めて測定し、巨大ブラックホールの周辺構造に迫った本研究成果は、相対論的ジェットの形成機構の解明につながると期待できます。

また、今回観測された電波放射を説明するには、コロナの中に高エネルギー電子の存在が必要です。このような高エネルギー電子は、電波と同時に10万～1億電子ボルト（eV）のガンマ線（MeVガンマ線）も放射しているはずです。しかし、そのようなガンマ線の観測は技術的に難しく、まだ十分には行なわれていません。今後、MeVガンマ線観測が可能になれば、ブラックホール周囲に存在する高エネルギー電子やコロナに関するさらなる知見が得られると考えられます。

原論文情報

Yoshiyuki Inoue, Akihiro Doi, “Detection of Coronal Magnetic Activity in Nearby Active Supermassive Black Holes” The Astrophysical Journal, 10.3847/1538-4357/aaeb95

発表者

理化学研究所
数理創造プログラム
上級研究員 井上 芳幸（いのうえ よしゆき）

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当

国立天文台チリ観測所 助教/教育広報主任 平松正顕

補足説明

1. アルマ望遠鏡

   アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array：ALMA、アルマ望遠鏡）で、ヨーロッパ南天天文台（ESO）、米国国立科学財団（NSF）、日本の自然科学研究機構（NINS）がチリ共和国と協力して運用する国際的な天文観測施設。直径12mのアンテナ54台、7mのアンテナ12台、計66台のアンテナ群をチリ共和国のアンデス山中にある標高5,000mの高原に設置し、一つの超高性能な電波望遠鏡として運用している。2011年から部分運用が開始され、2013年から本格運用が始まった。感度と空間解像度でこれまでの電波望遠鏡を10倍から100倍上回る性能を持つ。本研究で用いたアルマ望遠鏡の活動銀河の観測の空間分解能は約0.1秒角である。

2. 巨大ブラックホール

   太陽の100万倍から100億倍もの質量を持つブラックホール。どの銀河にも、その中心には巨大ブラックホールが存在すると考えられている。

3. コロナ

   高温のプラズマ。巨大ブラックホール周辺のコロナはおよそ10億度の温度を持つことが、X線観測から分かっている。

4. プラズマ

   原子が電離して、陽イオンと自由電子に分かれた状態。

5. 活動銀河

   銀河全体の約1割を占める特殊な銀河で、エネルギーの大半を銀河中心のコンパクトな領域（ブラックホール周辺）から放出する。そのため、銀河を超える明るさ、激しい時間変動、電波からガンマ線にわたる多波長放射を特徴とする。

6. VLA望遠鏡

   アメリカ国立電波天文台が運用している電波干渉計で、米国ニューメキシコ州ソコロから約80km西に位置する。口径25mのアンテナ27台で構成される。VLAは、超大型電波干渉計を意味するVery Large Arrayの略。

7. ATCA望遠鏡

   オーストラリア国立望遠鏡機構が運用している電波干渉計で、オーストラリアニューサウスウェールズ州に位置する。口径22mのアンテナ6台で構成される。ATCAは、オーストラリアコンパクト電波干渉計Australia Telescope Compact Arrayの略。

8. 相対論的ジェット

   巨大ブラックホールからほぼ光速で噴出する、非常に細く絞られたプラズマ流。

9. シュバルツシルト半径

   ブラックホールの中心（特異点）から事象の地平面までの距離であり、光すら脱出できなくなる領域の半径。この領域の大きさは、ブラックホールの実質的な大きさに相当する。