茨城大学大学院理工学研究科の米倉覚則教授が参加する国際研究チームが、茨城大学理学部附属宇宙科学教育研究センターの電波望遠鏡を含む東アジアVLBIネットワークをはじめとする観測装置を用いて、楕円銀河M87の中心から噴出するジェットの運動を詳しく観測しました。過去20年以上にわたって得られた多数の画像を分析しまとめた結果、ジェットの噴出方向が約11年周期で一般相対性理論が予言する歳差運動（首振り運動）をしていることを発見しました。本成果は、M87の巨大ブラックホールが自転（スピン）していることを強く示すとともに、強力なジェットの発生にブラックホールの自転が深く関与していることを裏付けるものです。研究成果は、英国の科学雑誌『ネイチャー』に2023年9月27日付で掲載されました。

>>詳しくは国立天文台のWEBサイトで発表されたプレスリリースをご覧ください

図１.自転する巨大ブラックホールの周りで歳差運動（立体的な首振り運動）する降着円盤とジェットの想像図。ブラックホールの自転軸は図の南北方向に固定されている。ブラックホールの自転軸に対して降着円盤の回転軸が傾いていると、一般相対性理論の効果によってこのような歳差運動が生じる。（C)Cui Yuzhu et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse and Zhejiang Lab.

　宇宙に存在する多くの銀河の中心には、太陽の数百万倍から百億倍の質量をもつ巨大ブラックホールが潜んでいると考えられています。その一部は非常に活動的で、ジェットと呼ばれるビーム状のガスを噴出し、「活動銀河核」として輝いています。こうした巨大ブラックホールの性質やジェットの形成メカニズムは未だ多くの謎が残されており、天文学の最前線のテーマのひとつです。

　地球から5500万光年の距離にある楕円銀河M87は最も代表的な活動銀河核の1つであり、2019年にはイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）によって太陽65億個分の質量を持つ巨大ブラックホールが撮影された天体として知られます。2023年4月には、グローバルミリ波VLBI観測網（GMVA）によって巨大ブラックホールを取り巻く「降着円盤」と呼ばれるガス円盤の様子も明らかになりました。こうした観測は活動銀河核の究極のエネルギー源が巨大ブラックホールと降着円盤であることを決定づけるとともに、これらがジェットの形成にも関係していることを示唆するものでした。

　一方研究者の間では、「M87の巨大ブラックホールは自転（スピン）をしているかどうか？」という疑問が引き続き大きな関心事として議論されていました。アインシュタインの一般相対性理論によると、自転は質量とともにブラックホールの基本的性質（及び周囲の時空構造）を決める最も重要な要素です。また近年の理論研究から、強力なジェットの駆動にはブラックホールの自転エネルギーが必要であることが提唱されていました。しかしながら、ブラックホールの大きさや周囲の星の運動などから比較的測定しやすい質量とは対照的に、自転の有無を観測から見極めることは容易ではありません。

　研究チームは今回、東アジアVLBIネットワーク（East Asian VLBI Network: EAVN）及び米国の電波望遠鏡ネットワークによって得られた観測データを中心に、過去20年以上に渡って蓄積された170枚にも及ぶM87ジェットの電波画像を分析し、その形状が変化する様子を詳しく調査しました。その結果、ジェットの噴出方向が約11年のサイクルで周期的に変化していることを発見しました（図2）。先行研究では、M87ジェットが噴出方向に対して横方向に揺れる「謎の横揺れ」現象の存在が示唆されていましたが、その原因や周期の有無についてはよく分かっていませんでした。

図2.（上部３つの画像）EAVN等で撮影したM87ジェットの電波画像の例。2013年〜2018年にかけて波長7mm帯で撮影された多数の画像を2年分づつ平均している。各画像の中心部からのびる矢印はジェットの噴出方向を表す。（下図）2000年〜2022年の間で測定されたジェット噴出方向の時間変化。赤色の正弦曲線は測定結果と最もよく一致する11年周期の歳差運動のモデルを表す。(c)Cui et al. (2023)

　「この発見をした時は身震いしました。」こう語るのは、本研究の筆頭著者であり、大学院生時代に国立天文台水沢VLBI観測所で研究を行ったZhejiang Lab（之江実験室）の崔 玉竹 (ツェイ ユズ) 研究員です。「１〜２年分のデータを分析するだけでも大変ですが、それだけでは決して捉えることができなかった変化です。20年以上にもわたる気の遠くなるほどの膨大なデータを１つ１つ丁寧に分析することが今回の新たな発見につながりました。」

　このようなジェットの周期変化は何を意味しているのでしょうか？その原因を突き止めるため、研究チームはさらに国立天文台水沢に設置された天文学専用スーパーコンピュータ 「アテルイⅡ」を用いた理論シミュレーションを行い観測結果を考察しました。その結果、観測された11年周期のジェット振動は、自転するブラックホールが周囲の時空を引きずることで生じる「レンズ-シリング歳差」と呼ばれる運動でうまく説明できることがわかりました（図3）。

図3. アテルイIIで実施した一般相対論的磁気流体シミュレーションが示した降着円盤およびジェットの歳差運動の様子。初期にブラックホールの自転軸に対して回転軸の傾いた降着円盤を設置し、その時間変化の様子を追っている。カラー図は子午面における密度を表している。一般相対論的磁気流体コードUWABAMI (同研究チームの高橋博之氏が開発)を用いて計算を実施した。(c)川島朋尚

　「レンズ-シリング歳差は、地球ゴマが起こす歳差に似ています。地球ゴマでは傾いたコマに働く地球の重力が歳差運動の引き金になります。今回の場合は、傾いた降着円盤に、ブラックホールの自転による力が働くことでレンズ-シリング歳差運動が起こります。」こう説明するのは理論シミュレーションを担当した東京大学宇宙線研究所の川島朋尚研究員です。「アテルイⅡを用いてブラックホール自転軸に対して回転軸が傾いた降着円盤の数値シミュレーションを実施しました。すると、レンズ-シリング歳差により降着円盤が観測と同程度の周期でぐるりと回ることがわかりました。そしてシミュレーション結果は降着円盤の動きにつられてジェットも同じように歳差運動することを示しています。」

　本研究は、M87の巨大ブラックホールが自転していることを強く裏付けるものです。同時に、ジェットの形成に自転が深く関与しているという理論を強く支持するものであり、長年研究者を悩ませてきた難問の解決に大きく前進する成果です。

　「本成果は、東アジア地域を中心とした世界45の研究機関の研究者がチーム一丸となって長年合同観測を続けてきた末にようやく明らかになったエキサイティングな科学的マイルストーンです。」こう語るのは、EAVN活動銀河核サイエンスワーキンググループの世話人を務める工学院大学 紀基樹 客員研究員です。「シンプルな正弦曲線に見事にフィットした20年以上におよぶ観測データは、ブラックホールとジェット噴流に対する私たちの理解に大きな進展をもたらします。」

　崔氏の研究を水沢で大学院生時代から指導し、共に研究を進めてきた国立天文台水沢VLBI観測所の秦和弘助教は「短期的な研究成果の創出が求められる昨今にあって、今回の成果は長年の地道なデータの積み重ねが大きな発見に繋がることを示す好例といえます。ジェットの強力なエネルギーは周囲の物質にも大きな影響を与えるため、その発生を促すブラックホールの自転の証拠を捉えたことは銀河の形成・進化の歴史を紐解く手がかりにもなるでしょう。」とコメントしています。

　研究チームは引き続きM87ジェットの観測を続けています。EAVNの主要局であるVERAを運用する国立天文台水沢VLBI観測所所長の本間希樹教授は「今後は得られたジェットの形状変化をEHTで得られるブラックホールの動画とも比較することで、ブラックホールとジェットのつながりをさらに詳しく解き明かしたい。」と今後の抱負を語っています。

論文情報

タイトル：Cui et al. "Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87"
雑誌：英国科学雑誌"Nature"
公開日：2023年9月27日
DOI: 10.1038/s41586-023-06479-6

国内の共同発表機関

自然科学研究機構 国立天文台、東京大学 宇宙線研究所、総合研究大学院大学、工学院大学、大阪公立大学、茨城大学、山口大学、筑波大学、駒澤大学、東洋大学

茨城大学理学部附属宇宙科学教育研究センターの貢献について

　VLBI（超長基線電波干渉法）観測では、地上あるいは人工衛星などに設置された、遠く離れた電波望遠鏡が同時に観測を行う事により、高い解像度の画像（細かい絵）を得る事ができます。一方で、高精細な画像（きれいな絵）を得るためには、遠く離れた電波望遠鏡だけではなく、近接した電波望遠鏡も含めて、できるだけく多くの電波望遠鏡が同時に観測を行う必要があります。
　今回、茨城大学が参加した 2017 年 4 月 17 日の観測では、約9000キロメートルの範囲に点在する東アジア （EAVN）とイタリアの電波望遠鏡合計11台が同時に観測を行い（EATING VLBI）、数万程度の視力に相当する画像を取得しました。
　その中で、茨城大学理学部附属宇宙科学教育研究センターが運用を行なっている直径32メートルの電波望遠鏡は、高解像度の画像を取得する役割だけでなく、宇宙科学教育研究センターから約300キロメートルの距離にある岩手県奥州市の国立天文台水沢 VLBI 観測所 VERA 水沢２０メートル電波望遠鏡と組み合わせる事により高精細な画像を得る役割を果たしました。
（解説：米倉覚則 理学部附属宇宙科学教育センター長）