国立天文台など、M87銀河中心のブラックホールからのジェットの磁場を推定

国立天文台(NAOJ)は6月8日、日韓合同VLBI観測網(KaVA)を用いて巨大楕円銀河「M87」の大質量ブラックホールから噴出するジェットを詳しく観測したところ、複数の周波数帯を用いることでジェットが放射冷却によって冷える様子を分析し、M87ジェット中の磁場強度を推定することに成功したと発表した。

日韓合同VLBI観測網。下は本観測に参加した各観測局で、左からKVNのヨンセイ局(ソウル)、ウルサン局、タムナ局(済州)、VERA水沢局、入来局、小笠原局、石垣局にある電波望遠鏡の画像。(c)NAOJ/KASI(出所:NAOJ VERA Webサイト)

同成果は、韓国天文研究院(KASI)のノ・ヒョヌク博士研究員、工学院大学の紀基樹客員研究員(東アジアVLBI観測網(EAVN) 活動銀河核サイエンスワーキンググループ代表)、NAOJ 水沢VLBI観測所の秦和弘助教を中心とする、国際共同研究チームのEAVN 活動銀河核サイエンスワーキンググループによるもの。詳細は、欧州の天体物理学全般を扱う学術誌「Astronomy & Astrophysics」に掲載された。

活動銀河核ジェットは、その名の通りに活動銀河核中心の大質量ブラックホール近傍から細く絞られたプラズマ流として噴出し、光速に近いスピードで宇宙空間を伝播することで知られている。その形成機構には、「磁場」が深く関与していると推測されているが、磁場の強度については未解明の点がまだ多いという。そこで今回、EAVN 活動銀河核サイエンスワーキンググループは、KaVAを用いた観測を行うことにより、M87ジェット中の磁場強度を推定したという。

M87は地球からおとめ座の方向に5500万光年の距離に位置する、おとめ座銀河団ならびに、天の川銀河が属する局所銀河群も含むおとめ座超銀河団の中心に位置する巨大楕円銀河だ。その中心に位置する大質量ブラックホールは太陽質量の65億倍もあり、2019年にイベント・ホライズン・テレスコープ(EHT)プロジェクトによって、史上初のブラックホールシャドウの撮影に成功したことでも知られた天体だ。

同大質量ブラックホールからは、およそ5000光年に及ぶジェットが噴き出しており、今回の研究では、22GHz帯と43GHz帯という2つの周波数帯での準同時観測が行われた。22GHz帯はプラズマがあまり冷えていない部分を、43GHz帯は放射冷却によってプラズマがよく冷えている部分を可視化したとのこと。プラズマが冷える時間スケールは、磁場強度の2乗に反比例して短くなるため、放射冷却分布図を解析することで、ジェット中の磁場強度を推定することができるという。

22GHz帯(上段)と43GHz帯(中段)で観測されたM87ジェット画像を組み合わせて得られた、放射冷却の度合いを表すカラーマップ(下段)。下の指数バーの値が小さいほど、プラズマが放射冷却によってよく冷えていることが表されている。参考のために、22GHz帯で見たM87ジェットの画像が等高線で表されている。(c)Ro et al. 2023(出所:NAOJ VERA Webサイト)

この磁場強度の推定法を利用することで、大質量ブラックホールからおよそ900倍～4500倍のシュバルツシルト半径(約2光年～10光年に相当)の距離において、ジェットの磁場強度が0.3ガウス～1ガウス(=0.00003～0.0001テスラ)であることが導き出された。なお、0.3ガウスは赤道付近の地磁気とおおよそ等しい値だ(極付近の値は0.6ガウス)。

今回の研究で推定された磁場強度を、ジェットの根元にあるブラックホールの位置まで外挿すると、ジェット中の磁場強度は距離におよそ反比例して分布していることが示唆されるとする。つまり、ブラックホール近傍のジェット中における磁束の大半は、著しく散逸されることはなくジェットの下流まで運ばれていることが示唆されたという。

M87ジェット中の磁場強度の分布図。横軸は巨大ブラックホールからの距離、縦軸は磁場強度。黒い部分が今回の研究で推定された、M87ジェット下流での磁場強度の分布だ。灰色の斜線部分の実線は、ジェット上流方向の結果の上限と下限の外挿。破線は、巨大ブラックホールに近い領域で、ジェット半径プロファイルの傾きが急であると仮定した磁場分布。斜線部のない実線は、2ミリ秒角以内のブラックホールにより近い領域で、高速に加速されると仮定した場合の磁場分布の上下限。点線は、結果の最大値がジェット下流域に外挿されたもの。マーカーは先行研究によって推定された磁場強度。(c)Ro et al. 2023(出所:NAOJ VERA Webサイト)