超高空間分解能による赤外線観測でついに捉えた!巨大ブラックホールを取り囲むダストリング

2022.11.18

京都産業大学の岸本 真教授を中心とする国際研究チームは、銀河系外天体の赤外線観測で世界最高の解像度を達成し、これにより、大質量降着中の巨大ブラックホールが、噴出されるジェットに垂直な明るいリング構造に取り囲まれていることを確認しました。これは、中心部の巨大ブラックホール系の「エンジン」部が、ジェット方向と垂直の円盤構造を持つことを強く示唆するものであり、長年の予測を裏付けるものです。
今回の研究成果により、中心の巨大ブラックホール系が母銀河の構造に与えている影響についての理解が進むことが期待されます。

English version(英語版)

リリース日:2022-11-18

本件のポイント

  • 系外銀河天体の赤外線観測で世界最高の解像度を達成した。
  • 大質量降着中の巨大ブラックホールが、噴出するジェットに対して垂直な明るいリング構造に取り囲まれていることを確認した。これは、中心部の巨大ブラックホール系の「エンジン」部もまた、ジェット方向に対して垂直の円盤構造を持つことを強く示唆しており、長年の予測を裏付ける結果である。
  • 中心の巨大ブラックホール系が母銀河の構造に与えている影響についての理解が進むと期待される。

背景

宇宙の銀河の中心部には、質量が太陽の100万倍から10億倍程度の巨大ブラックホールが、ほぼ普遍的に存在するとされています。こうした巨大ブラックホールにガスが降着する(落ち込む)際には、中心部に強い紫外光を発する円盤状の構造が形成され、これが巨大ブラックホール系の「エンジン」部になると考えられています。この中心部からは高エネルギーのプラズマをジェット噴射している場合もあり、こうした円盤とジェットが周辺部と激しい相互作用を起こす源となります。現在のところ、この円盤構造自体は視直径が小さすぎるために形を直接捉えることができません。
しかし、この中心部の円盤構造が実際に存在するのであれば、このさらに外側に、ダストからの放射で明るく光るリング状の構造が存在すると予測されてきました。宇宙空間にはダストと呼ばれる、重元素でできた砂のような粒子が多数存在します。ブラックホール系の中心部では温度が高すぎて溶けてしまうが、中心部から十分に離れた1200℃程度以下の領域では溶けずに存在し、中心部からの紫外光に熱せられて、リング状に強い赤外線を放っていると考えられているのです。
このリング状に光るダストを実際に検出することができれば、中心部の円盤構造の存在を確認することになり、「エンジン」部および周りとの相互作用の理解を大きく前進させることができます。

研究成果

ダストリングは、から見ようとすると、ダスト粒子自体によって光が吸収されてしまうため、なかなか形をとらえることができません。そこで本国際研究チームは、地球との位置関係からこの構造をから見ることができ、かつ最も明るい質量降着巨大ブラックホールである近傍銀河NGC4151(図1)の中心部にターゲットを絞りました。
この検出には、複数の赤外線望遠鏡を用いて非常に高い解像力を実現する必要があり、かつこれら複数の望遠鏡が天体に対して適切な向きに並べられている必要がありました。この2つの条件を満たす装置は現在世界に一つしかありません。米国・カリフォルニア州にあるCHARA干渉計です(図2)。これは、6つの望遠鏡で構成され、その適切な並びによって、様々な角度から天体を観測できるように最適化されています。それぞれの望遠鏡の口径(直径)は1mですが、望遠鏡間の距離は数百メートルあり、この長さを口径とする望遠鏡に相当する解像力を誇ります。赤外線観測において現在世界で最もシャープな「眼」を持つ観測装置といえます。
研究チームは、このCHARA干渉計を用いてNGC4151の中心核を観測し、ついに、噴出するジェットと垂直な方向に現れるダストリングを実際に検出することに成功したのです(図3)。
この観測を成功させるには、CHARA干渉計の各望遠鏡に「補償光学」装置を新たに装備する必要がありました。この装置によって、集められる光の量が格段に増え、各望遠鏡の口径が比較的小さいにもかかわらず、恒星よりもずっと暗い、系外銀河ターゲットの観測が可能になったのです。

研究のさらなる意味

質量降着中の巨大ブラックホール系には、観測的性質が明らかに異なる2種が存在します(1型、2型と呼ばれる)。これに対し、「これらは実は同一のもので、中心を取り囲むダストリングの存在によって、上から見たものと横から見たものに見かけ上分かれるだけである」とする、いわゆる「統一モデル」が約40年前に提唱されました。今回の検出は、そのダストリングの存在をついに観測的に確認したことになります。
また、今回観測に用いた赤外線よりもう少し長い波長の赤外線(中間赤外線)の干渉計観測によると、ダストリングより少し外側の領域は、ジェットに垂直ではなく、ジェットに「沿った」方向に広がっていることが最近わかってきています。これは、ジェット方向に向かう大きなガスの流れ(アウトフロー)であると研究者らは考えています。したがって、今回本研究チームが検出に成功した、より中心部の、ジェットに垂直な構造は、このアウトフローがどのように形成され、さらには、この巨大ブラックホール系を宿す母銀河とどのように相互作用をしているのかを理解する鍵となると期待できます。

 

今後の展開

今回の観測では、ダストリングの方向と大きさを検出することができました。現在CHARA干渉計天文台では、より高感度の装置の開発が進んでおり、研究チームは、これによるさらなるデータの取得を目指しています。

用語解説

  • NGC 4151
    りょうけん座の方向、6200万光年の位置にある渦巻銀河。
  • ダスト
    銀河内の星間空間に存在している、重元素でできた砂粒のような固体微粒子。
  • CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy)
    高角分解能(高空間分解能)天文学センター(米国カリフォルニア州ウィルソン山)
  • 1型活動銀河核(Type 1 Active Galactic Nuclei)
    非常に幅の広い輝線を示す銀河中心部で、ダストリングに囲まれた質量降着中の巨大ブラックホール系を上から見たものと思われている。
  • 1マイクロ秒角
    1秒角は1度の3600分の1。この1秒角の100万分の1が1マイクロ秒角。

論文情報

タイトル 「The dust sublimation region of the Type 1 AGN NGC4151 at a hundred micro-arcsecond scale as resolved by the CHARA Array interferometer」
(CHARA干渉計によって分解された1型活動銀河核のダスト溶融領域100マイクロ秒角スケール)
掲載誌 米国天体物理科学雑誌「The Astrophysical Journal」(電子版)
掲載日 2022年11月18日
研究体制 京都産業大学、ジョージア州立大学(米国)、カリフォルニア大学サンタバーバラ校(米国)、サウスアンプトン大学(英国)、コートダジュール天文台(フランス)、ヨーロッパ南天文台(チリ)、マックスプランク電波天文学研究所(ドイツ)
著者 Makoto Kishimoto (岸本 真)1a、Matt Anderson2、Theo ten Brummelaar2、Christopher Farrington2
Robert Antonucci3、Sebastian Hoenig4、Florentin Millour5、Konrad Tristram6
Gerd Weigelt7、Laszlo Sturmann2、Judit Sturmann2、Gail Schaefer2、Nic Scott2
a筆頭著者・責任著者、1京都産業大学、2ジョージア州立大学
3カリフォルニア大学サンタバーバラ校、4サウスアンプトン大学、5コートダジュール天文台
6ヨーロッパ南天文台、7マックスプランク電波天文学研究所
DOI 10.3847/1538-4357/ac91c4

図1:NGC4151銀河の全景(直径数万光年)
図2:CHARA干渉計の全景イラスト

https://www.chara.gsu.edu/
図3:【左】NGC4151の中心部数千光年の領域。中央:推測されている中心部約1光年の構造。ブラックホールを中心にジェット(白色)が前後に噴出し、その周りをダストリング(赤色)が取り巻いている様子。【右】CHARA干渉計およびKeck 干渉計の測定結果。
お問い合わせ先
京都産業大学 広報部
〒603‐8555 京都市北区上賀茂本山
Tel.075-705-1411
kouhou-bu@star.kyoto-su.ac.jp
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