多波長同時観測でさぐるM87巨大ブラックホールの活動性と周辺構造　ー地上・宇宙の望遠鏡が一致団結ー

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[画像1] M87の中心にある巨大ブラックホールの様々な波長の電磁波での観測画像。使用した望遠鏡により観測波長が異なり、また解像度（視力）も様々なため見えているスケールも異なる。画像クレジット：The EHT Multi-wavelength Science Working Group; the EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); the EVN; the EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); the GMVA; the Hubble Space Telescope; the Neil Gehrels Swift Observatory; the Chandra X-ray Observatory; the Nuclear Spectroscopic Telescope Array; the Fermi-LAT Collaboration; the H.E.S.S collaboration; the MAGIC collaboration; the VERITAS collaboration; NASA and ESA. Composition by J. C. Algaba

2017年4月、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）と地球上の各地、さらに宇宙にある多くの電波望遠鏡、可視光線・紫外線望遠鏡、X線望遠鏡、ガンマ線望遠鏡が、楕円銀河M87の中心にある巨大ブラックホールを一斉に観測しました。そのデータを組み合わせることで、この巨大ブラックホールがこのとき非常に「おとなしい」活動状態にあったことが明らかになりました。また、観測結果と理論・シミュレーション研究の結果を比較したところ、EHTで観測されたリング状の電波放射領域とは異なる場所でガンマ線が放射されていると考えると、観測結果をうまく説明できることがわかりました。これは、巨大ブラックホールが噴き出すジェットが複雑な構造を持っていることを示す結果であり、ジェットの形成や多彩な電磁波放射メカニズムの解明に重要な手がかりを与える成果といえます。

地球から見ておとめ座の方向約5500万光年の距離に、楕円銀河M87があります。その中心には、太陽の65億倍の質量を持つ巨大ブラックホールが潜んでいます。ブラックホールはその巨大な質量によって周囲の空間をゆがめ光すら飲み込んでしまうほどの存在ですが、ブラックホールのすぐ近傍からは非常に高いエネルギーのガスが細長い「ジェット」として放出されることがあります。M87の巨大ブラックホールは、こうしたジェットが初めて発見された天体でもあります。一方、どのようなメカニズムでこのジェットが放出されるのかは、まだ明らかになっていません。

2017年4月、地球上の8つの電波望遠鏡をつないだEHTがこの巨大ブラックホールを観測し、ブラックホールの「影」の撮影に史上初めて成功しました。ところが、EHTによる観測だけでは周囲に存在するはずのジェットをはっきりと写し出すことはできず、ブラックホール周辺の詳しい構造については未解明のまま残されていました。また、M87巨大ブラックホールは「活動銀河核」ともよばれ、しばしば電波からガンマ線に至る様々な波長で激しい光度変動を示すことが知られていますが、EHTで撮影された時期の活動状態についても大きな未解決の謎として残されていました。

実は2017年4月のEHTによる観測と協調する形で、世界中の多くの望遠鏡も同時期にM87のブラックホールに向けられていました。日本をはじめとする東アジア、欧州、南北アメリカ、アフリカ、ハワイ島やカナリア諸島にある電波望遠鏡、可視光線望遠鏡、ガンマ線望遠鏡、さらには地球周回軌道上に浮かぶ可視光線・紫外線望遠鏡やX線望遠鏡、ガンマ線望遠鏡など、その数は19台に及びます。電波からガンマ線までの幅広い波長域の電磁波をできるだけ同時に観測することで、M87のブラックホールやジェットの性質を多角的に分析することができるのです。ジェットを持つ巨大ブラックホールの観測としては、天文学史上最大規模の観測キャンペーンとなりました。

多数の望遠鏡による観測の結果、巨大ブラックホールから噴き出すジェットの根元近く（0.3光年）から5000光年ほどまで広がっている姿が、様々な波長の電磁波で明らかになりました。これは、言ってみればジェットの「多色画像」を捉えたことになります。ほぼ同じタイミングで、これほど幅広い波長帯でブラックホールから放出されるジェットが描き出されたのは、これが初めてのことでした。

[画像2] EAVN（波長7mm）で撮影したM87ブラックホールから噴出するジェット。ジェットの根元にはEHT（波長1mm）で撮影された巨大ブラックホールが存在する。画像クレジット：EHT Collaboration, EAVN Collaboration

今回の観測には、国立天文台水沢VLBI観測所が韓国・中国と共同で運用している東アジアVLBIネットワーク(EAVN)も参加し、ブラックホールから噴出して間もないジェットを詳しく観測し、その形状や明るさなどを測定しました。EAVNデータの分析をリードした総合研究大学院大学博士課程国立天文台水沢VLBI観測所の崔玉竹氏は「天文学最大の謎のひとつであるブラックホールジェットの謎を解明するためには、ブラックホール本体付近の撮影が得意なEHTと、ジェットの撮影が得意な波長の長い電波を用いたVLBI観測を同時に行う必要がありました。今回はそのような共同観測が史上初めて実現したマイルストーンとなりました」と述べています。

国⽴天⽂台⽔沢VLBI観測所秦和弘助教とともにEHT国際多波長サイエンス作業班の世話人を務めるマギル⼤学のダリル・ハガード准教授は「世界には、自分たちの理論や仮説が今回得られた豊富なデータと合致するかどうか確認したくてうずうずしている研究チームがいくつもあります。データが広く公開されることで、研究者コミュニティの誰もがこのデータを使うことができ、ブラックホールとジェットの関係がよりよく理解できるようになるだろうと期待しています」とコメントしています。

同じく同作業班の世話人でアムステルダム大学のセラ・マルコフ教授は、「もっとも大きな謎のひとつは、私たちがキャッチした電磁波がどのようにして生み出されているか、という点です。EHTの画像に加えてとても豊富なデータが得られたことは、ブラックホールの『影』とジェットの両方をうまく説明できる理論体系を作る手助けになるでしょう」と語っています。

今回観測された波長帯のうち、X線、ガンマ線といった高エネルギー電磁波放射のデータを分析した結果、EHTによる撮影が行われた2017年4月ごろのタイミングでは、巨大ブラックホールの活動性が非常に静穏だったことがわかりました。ブラックホールの活動が活発な時は電波も含めた様々な波長の電磁波放射が強くなるのですが、今回の観測キャンペーン中ではそれがあまり強くなかったのです。

[画像3] M87の同時観測により得られた放射エネルギースペクトル(赤・オレンジ)と理論計算により得られたスペクトル(青・緑)。電波放射とガンマ線放射が同じ場所で起きていると仮定し、EHTで観測される電波放射領域のサイズと放射の明るさを再現しようとすると、ガンマ線放射が暗くなり観測を再現できないことがわかった。ガンマ線はEHTで観測されたリング状の構造とは異なる場所で発生している可能性が高い。画像クレジット：The EHT Multi-wavelength Science Working Group

研究チームは、理論・シミュレーション研究も行い、その結果と電波からガンマ線までの幅広い波長域の同時観測データとを総合的に比較することで、静穏期にあるブラックホール周辺のようすを理解することを目指しました。シンプルな理論モデルをもとに計算したところ、少なくとも今回の観測時期では、EHTで観測されるブラックホール近傍の電波放射領域とは異なる場所でガンマ線が放射されていると解釈することが最も自然であることがわかりました。理論モデルの計算を行った工学院大学教育推進機構の紀基樹(きのもとき) 客員研究員は「これまでの定説では『M87銀河中心部からの電波とガンマ線は、ブラックホール近くの同じ場所から放射されている』と考えられてきましたが、放射領域サイズと明るさの時間変化による不確かさが残っていました。今回、EHTによる光子リングのサイズ測定と多波長同時観測データを組み合わせることによって、初めてこうした不定性を取り除いた議論を行うことができました。私たちは、この観測データとシンプルな一様等方球を仮定した理論モデルを用いて、世界中のEHTコラボレーションメンバーとオンラインディスカッションを重ねて慎重に比較した結果『ガンマ線は光子リングとは異なる広がった領域で放射されている』という、これまでの定説とは異なる示唆を得ました。この示唆はブラックホールの近傍での電磁波放射メカニズムの謎を解明する大きなヒントとなるでしょう」と力を込めました。

理論解釈では国立天文台が運用する天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイII」を用いたシミュレーションも実施されました。シミュレーションを実施した東京大学宇宙線研究所の川島朋尚研究員は「今回の研究から、電波からガンマ線までの同時観測データを全て説明するためには、ジェットやブラックホールに落下するガス流の構造、そして一般相対性理論などの詳細な物理プロセスを取り入れた計算が必要なことがわかりました。私たちが開発する光の伝搬シミュレーション・コードではこれらの効果を取り扱う計算が可能であり、今後、ブラックホールへのガスの流れやジェットが時間とともに変化する効果も取り入れて、アテルイIIや富岳を用いた大規模シミュレーションを実施する予定です。世界中でこの分野の研究が精力的に実施され、未だ謎となっている巨大ブラックホールの時空構造やジェットの噴出メカニズムの解明にまた一歩迫れることが期待されます」と述べています。

また、東京大学宇宙線研究所が参加して国際協力で運用するガンマ線望遠鏡MAGICは電波より10桁以上エネルギーの高いガンマ線を計測することで、ブラックホールの活動性を表す爆発現象であるフレアの有無などを調べました。MAGICによるM87観測のリーダーを務める東京大学宇宙線研究所のダニエル・マジン特任准教授は「私たちは今回EHTや世界の他波長の望遠鏡と協力し、最大限の科学成果を生み出すべくM87の高頻度なモニター観測を行いました。2017年のMAGIC観測は気象条件もとても安定し、計27時間を超える大変良質な観測データを取得することができました。その結果、過去に観測されたような激しいフレアは今回の観測期間中は見つかりませんでしたが、静穏期のブラックホールからの放射に関して、重要な情報を得ることができました」と述べています。

今回の観測成果で注目すべき点には、地球に飛来する高エネルギー宇宙線の起源も挙げられます。宇宙線のエネルギーは、素粒子実験に用いる粒子加速器の100万倍にも達します。こうした高エネルギー宇宙線の起源のひとつとして巨大ブラックホールが噴き出すジェットが想定されていますが、その詳細についてはわかっていません。この謎に迫るひとつの手段が、最高エネルギーのガンマ線を観測することです。今回の観測結果は、少なくとも2017年の観測時点では、巨大ブラックホールの事象の地平面周辺ではガンマ線が作られていないことを示していました。この研究をさらに進展させるには、別のタイミングでの観測を重ねる必要があります。

今回の研究は、ブラックホールから噴出するジェットの構造と成因を明らかにするための第一歩といえます。EHTの観測は2018年にも行われた他、2021年は参加望遠鏡を3局増やし、まさに現在観測が行われている最中です。異なる時期の観測データを比較することによって、ブラックホールの活動性の違いやこれに伴って変化するジェットの構造、ブラックホール周囲の物質の性質、磁場構造など、ブラックホールに付随する様々な謎を解き明かすことができると研究者たちは期待しています。

EHT国際多波長サイエンス作業班の世話人の１人であり本研究の全体とりまとめを務めた国立天文台水沢VLBI観測所秦和弘助教は「本研究はEHTチームと世界の様々な波長の望遠鏡チームが一致団結し、32の国と地域から総勢760名を超える研究者の協力によって成し遂げられた合同成果です。我々は今後もEHTと同期した多波長合同観測を継続し、巨大ブラックホールの活動性やジェットの謎を解明していきたいと考えています」とコメントしています。

EHT-Japan の主な貢献

EAVNの貢献

東アジアVLBI観測網 (EAVN)は、日本・韓国・中国の複数の電波望遠鏡を組み合わせた、最大基線長5100キロメートルにおよぶ国際VLBI観測網です。今回2017年の観測キャンペーン期間中にEAVNは、計13台の電波望遠鏡で、光子リングからおよそ数十倍外側のジェット領域を、合計22晩 (計143.5時間、記録データ総量約600テラバイト) にわたって観測しました。その結果、この時期はジェットがフレア現象を伴わない静穏な流れであったこと、ジェットの噴出方向がこれまでよく知られていた方向から大きく変化していること、ジェットの南側の領域が北側の領域よりも明るくなっているといった、ジェット根元部分の詳しい様子が明らかになりました。EAVNとEHTによる異なる波長帯の観測データを組み合わせることは大きな相乗効果を生み出します。EAVNは、EHTとともにジェットとブラックホールにつながりを解き明かす唯一無二の強力なツールとしての活躍が期待されています。EAVNのジェットの分析には総合研究大学院大学大学院生の崔玉竹氏が重要な貢献をしました。

[画像4] 東アジアVLBIネットワークの望遠鏡配置図。望遠鏡画像は2017年の観測キャンペーンに参加した13台の電波望遠鏡。画像クレジット：国立天文台

アテルイIIの貢献

理論解釈には国立天文台が運用する天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイII」も用いられました。アテルイIIでは、様々な波長での複雑な光の伝搬を一般相対論的効果を含めて詳細に解くRAIKOU(来光)コードを用いた光の伝搬シミュレーションが実施されました。RAIKOUコードは精緻な計算を実施するために計算量が膨大ですが、アテルイIIではその演算性能を生かしてときには1000コア以上の並列計算を実施することで、多くのパラメータで結果を検証することができました。特に今回の同時観測データの放射スペクトルは、これまでにないほど観測のデータ点が豊富であり電波やガンマ線のみならず可視光やX線の観測データと矛盾しない理論スペクトルを計算していく上で、アテルイIIの高い計算能力は大きな助けとなりました。

[画像5] 天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイII」の写真。画像クレジット：国立天文台

可視光データ解析への貢献

M87銀河の中心領域の物理を理解するためには、電波、可視光線、X線、ガンマ線の全ての情報を同時に取得する必要があります。そこで2017年のEHT観測と同期してハッブル宇宙望遠鏡を含めた複数の衛星によってM87の観測が行われました。これにより18桁にわたたる幅広い周波数帯域をカバーした電磁波スペクトルを得ることに成功しました。しかし、M87銀河は地球から比較的近いことから、中心ブラックホールおよびジェットからの光に加えて、特に可視光線画像において銀河からの光などが混入して観測されます。ブラックホールおよびジェットを調べるためには、これら中心領域以外からの光を取り除いたのちの光の明るさを測定する必要があります。解析チームは銀河からの光を慎重に取り除き、中心領域からの光を取り出しました。解析チームの一員である広島大学宇宙科学センターの笹田真人特任助教は、「可視光線やX線の観測はスペクトルを”つなぐ”ためにも重要です。可視光線やX線を含めた多波長でのスペクトルを包括的に研究することで、ブラックホールの物理の理解につながります」と述べています。

[画像6] 今回の観測に参加した望遠鏡のリスト。画像クレジット：国立天文台

論文情報

この観測成果は、Event Horizon Telescope Science Multi-Wavelength Science Working Group et al. “Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign” として、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・レターズ」に2021年4月14日付で掲載されました。

Event Horizon Telescope Science Multi-Wavelength Science Working Group et al. 2021, ApJL, 911, L11
DOI: 10.3847/2041-8213/abef71
URL: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abef71

データアーカイブ

今回の研究で使われたデータは、さらなる研究発展を目的として、全ての研究者向けに公開しています。
URL: https://doi.org/10.25739/mhh2-cw46

謝辞

この研究は、文部科学省/日本学術振興会科学研究費補助金（18KK0090、JP18K13594、JP18K03656、JP18H03721、18K03709、18H01245、25120007、JP17J08829、JP19H01943、JP19H01908、JP19H01906、JP19K14761）、自然科学研究機構、東レ科学振興会、三菱財団、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム、ポスト「京」重点課題9「宇宙の基本法則と進化の解明」他の支援を受けて行われました。すべての支援機関については、論文謝辞をご覧ください。

記者会見について

日時：2021年4月14日(水) 日本時間18:00-19:00
会場：オンライン・国立天文台水沢VLBI観測所内

発表者：
・秦和弘 (はだかずひろ) 国立天文台水沢VLBI観測所助教
・川島朋尚 (かわしまともひさ) 東京大学宇宙線研究所 ICRRフェロー (特任研究員)
・Daniel Mazin (ダニエル・マジン) 東京大学宇宙線研究所特任准教授

陪席者：
・本間希樹 (ほんままれき) 国立天文台水沢VLBI観測所長・教授
・紀基樹 (きのもとき) 工学院大学 (教育推進機構) 客員研究員
・笹田真人 (ささだまひと) 広島大学宇宙科学センター特任助教
・崔玉竹/Cui, Yuzhu (ツェイユズ) 総合研究大学院大学物理科学研究科天文科学専攻 (大学院生)
・田崎文得 (たざきふみえ) 国立天文台水沢VLBI観測所特別客員研究員
・小山友明 (おやまともあき) 国立天文台水沢VLBI観測所特任専門員

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、工学院大学、広島大学、総合研究大学院大学、茨城大学、山口大学、計算基礎科学連携拠点

記者会見で使用した発表資料はこちらをご覧ください。 [PDF]

動画・画像集

ズームアウト動画

注釈：楕円銀河M87中心の巨大ブラックホールを、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）の観測画像からさまざまな波長の電磁波で観測した画像へズームアウトした映像。使用した望遠鏡によって解像度や見えているスケールが異なる。

クレジット：The EHT Multi-wavelength Science Working Group; the EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); the EVN; the EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); the GMVA; the Hubble Space Telescope; the Neil Gehrels Swift Observatory; the Chandra X-ray Observatory; the Nuclear Spectroscopic Telescope Array; the Fermi-LAT Collaboration; the H.E.S.S collaboration; the MAGIC collaboration; the VERITAS collaboration; NASA, ESA and ESO; NASA/GSFC/SVS/M.Subbarao & NASA/CXC/SAO/A.Jubett.

動画リンク・YouTube

M87多波長画像(日本語; 画像1)

注釈：M87の中心にある巨大ブラックホールのさまざまな波長の電磁波での観測画像。使用した望遠鏡により観測波長が異なり、また解像度（視力）も様々なため見えているスケールも異なる。

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M87多波長画像(英語)

注釈：Composite image showing how the M87 system looked, across the entire electromagnetic spectrum, during the Event Horizon Telescope's April 2017 campaign to take the iconic first image of a black hole. Requiring 19 different facilities on the Earth and in space, this image reveals the enormous scales spanned by the black hole and it forward-pointing jet, launched just outside the event horizon and spanning the entire galaxy.

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