電波からガンマ線まで、空前の多波長観測でM87のブラックホールジェットを撮影

2017年4月に史上初めて超大質量ブラックホールの影が撮影されたころ、19の望遠鏡や観測網が、複数の波長の眼で同じブラックホールの周辺を撮影していた。

【2021年4月19日 EHT-Japan】

2017年4月、地球上の8つの電波望遠鏡をつないだイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）が、おとめ座の方向約5500万光年の距離に位置する楕円銀河M87を観測し、史上初めて超大質量ブラックホールの「影」をとらえた。このとき、EHTと協調する形で計19の望遠鏡や観測網がM87に向けられていて、EHTでは観測できなかったブラックホールのジェットをとらえた。ジェットはブラックホールに引き寄せられたガスの一部が超高速で細長く放出される現象で、その仕組みはまだ完全には解明されていない。

動員された望遠鏡（関連リンク参照）は、電波から高エネルギーガンマ線に至るまで、天文学で使われるあらゆる波長をカバーし、視野もブラックホール近傍にズームインするものから銀河全体をとらえるものまで様々である。各望遠鏡はほぼ2017年4月前後の数か月のうちにM87中心部を撮影し、ジェットが根元付近の約0.3光年から5000光年ほどまで広がっている姿を多波長で描き出した。これはジェットを伴う超大質量ブラックホールの同時観測キャンペーンとしては史上最大規模のものだ。

M87中心の超大質量ブラックホール。使用した望遠鏡により観測波長が異なり、解像度（視力）も様々なため、見えているスケールも異なる。画像クリックで表示拡大（提供：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）

ブラックホールの影とジェット
（上）EHT（波長1mm）でとらえた超大質量ブラックホールの影、（下）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（提供：EHT Collaboration, EAVN Collaboration）

M87の超大質量ブラックホールは様々な波長で激しい光度変化を示す活動銀河核としても知られるが、今回の一斉観測において、特にX線やガンマ線といった高エネルギーの電磁波による観測では、ブラックホールの活動が静穏だったことが判明した。一方、ジェットの根元をとらえた電波観測では、ジェットの噴出方向がかつてとは大きく変化していることが明らかになった。

研究チームは、今回の結果を理論面から分析するためのシミュレーションも実施した。EHTは電波の眼で超大質量ブラックホール周囲のリングをとらえたが、このリングは全ての波長で同じように輝いているわけではないようだ。従来の理論では、M87中心部のガンマ線は、電波と同じブラックホール付近から放射されていると考えられていたが、シミュレーションと研究チームの議論によれば、どうやらガンマ線はもう少し広がった領域で放射されているのだという。

電波からガンマ線までの同時観測データ全てを説明するには、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更なる計算が必要だとわかった。今後、天文学専用スーパーコンピューター「アテルイII」や富岳を用いて、ガスの流れやジェットの時間経過に伴う変化による効果を取り入れた大規模シミュレーションが実施される。

今回発表された成果は、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だ。EHTの観測は2018年にも行われており、2021年現在は参加望遠鏡を3局増やして観測を実施中である。「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。今後もEHTと同期した多波長合同観測を継続し、大質量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」（国立天文台水沢VLBI観測所秦和弘さん）。

M87中心のブラックホールを、EHTの観測画像から様々な波長の電磁波で観測した画像へとズームアウトする動画「Zooming out the black hole in Messier 87 through the electromagnetic spectrum」。望遠鏡によって解像度や見えているスケールは異なる（提供：国立天文台）