ブラックホール周囲の降着円盤の乱流構造を超高解像度シミュレーションで解明

ブラックホールを取り巻く降着円盤の乱流構造内に存在する、大きな渦と小さな渦をつなぐ領域が超高解像度のシミュレーションによって再現された。ブラックホール近傍の観測データの理解にもつながる成果だ。

【2024年9月5日東北大学】

ブラックホールの周囲には、プラズマ状のガスが回転しながら落ち込む「降着円盤」が広がっている。降着円盤は数百万度から1000万度と極めて高温で、複雑に乱れた電磁場を持つ乱流状態にある。乱流によってガスの角運動量が外側へ運び出されることで、ブラックホールに物質が落下できるようになる。また、乱流が粒子を加熱して高エネルギー化することによって、地球から観測できる電磁波が生み出されている。

この乱流の詳細な性質、とくに大きなスケールの渦と小さなスケールの渦をつなぐ「慣性領域」の物理的性質は、長年謎に包まれたままだった。性質が明らかになればブラックホール近傍の電波観測データを解釈するための重要な手がかりとなるが、これまでのコンピューターの性能では、十分なシミュレーションの解像度が得られていなかった。

東北大学学際科学フロンティア研究所の川面洋平さんたちの研究チームは、「富岳」や国立天文台の「アテルイII」といった最先端のスーパーコンピューターを用いて極めて高い解像度のシミュレーションを実施し、降着円盤におけるプラズマ乱流の慣性領域を初めて詳細に観察することに成功した。

ブラックホール降着円盤のイメージ図と高解像度シミュレーションで得られた磁場揺動分布
ブラックホール降着円盤のイメージ図と、高解像度シミュレーションによって得られた磁場揺動分布。大きいスケールの渦が分裂していき、細かいランダムな渦構造が生まれている（提供：川面洋平）

シミュレーションの結果、渦のサイズが小さくなるにつれて運動エネルギーと磁気エネルギーが等分配され、磁場と流れ場の区別がつかなくなることがわかった。また、慣性領域では遅い磁気音波が支配的で、アルベン波の約2倍のエネルギーを持っていることが明らかになり、降着円盤内では電子よりイオンの方が効率的に加熱されているという結論が得られた。

降着円盤と同様に電子とイオンからなる太陽風では、運動エネルギーと磁気エネルギーが等分配された状態が観測されていることから、エネルギー等分配状態は宇宙空間に存在する乱流に普遍的な性質と考えられる。一方で、太陽風ではアルベン波が支配的であることも観測されていて、今回の研究による発見は正反対だ。今回の研究により、降着円盤の乱流と太陽風の乱流の本質的な違いが明らかになった。

また、降着円盤では乱流状態の電磁場と荷電粒子が相互作用し、一部の粒子が極めて高エネルギーに加速される。このような高エネルギー粒子は、長年の謎である高エネルギー宇宙線の源である可能性があり、今回の研究を進めることで宇宙線起源の謎に迫ることができるかもしれない。

今回の研究成果は、ブラックホールシャドウの観測データを理解する上でも重要な手がかりとなり、ブラックホールの回転速度の高精度な決定につながると期待される。今回の研究結果をもとに、様々なシミュレーションと観測データとを詳細に比較することで、ブラックホール周辺の極限環境下での物理現象の理解がさらに深まるだろう。