超巨大ブラックホールから「光速の99%の速度」でジェットが発射されていた

space 2020/01/12
Credit:NASA / Dana Berry / SkyWorks Digital
point
  • ブラックホールM87*のジェットが、光速の99%を超えていることを証明する観測に成功した
  • ジェットの速度がほぼ光速に近い限界速度という予想は以前からあったが、観測で示されたのは今回が初めて
  • これは異なる2点上で、全く同じ粒子が放つX線を見るという非常に高度な観測に成功したことを意味している
【編集注 2020. 01.14 10:00】
本記事の表現・内容について「誤りを多く含んでいる」とご指摘いただいたため、それに伴い大幅な修正を行いました。お詫びして訂正いたします。

おとめ座の方角にある超巨大楕円銀河M87の中心には、去年、人類史上初めて撮影に成功した有名な超大質量ブラックホールが存在しています。

このブラックホールには最近ハワイの神話にちなんで『Powehi(ポヴェヒ)』という非常に呼びづらい名前がつけられましたが、記事ではこれまで通り「M87*(えむ87すたー)」と表記します。

M87*を含め、銀河の中心核を成すような超大質量ブラックホールは、光速に近い速度で物質を放出する「ジェット」が起こります。

「ジェット」は未だに謎の多い現象ですが、新しい研究はその正確な速度観測に成功し、なんと光速度の99%を超えていることを確認したと報告しました。

ジェットの速度が光速の99%に近いという予想は以前からありましたが、観測によりそれが示されたのは初めてのことです。

この研究はハーバード・スミソニアン天体物理学センター(CfA)の研究チームにより、ハワイのホノルルで開催された米国天文学会(AAS)で発表され、天文学の学術雑誌『The Astrophysical Journal』へも掲載されます。現在論文はプレプリントサーバー『arXiv』で閲覧可能です。

Detection of Superluminal Motion in the X-Ray Jet of M87
https://arxiv.org/abs/1905.04330

M87銀河のブラックホールは巨大化したのか?

ブラックホールから、ジェットが5000光年に渡り伸びている。/Credit:NASA , The Hubble Heritage Team(STScI , AURA)

ジェットの勢いはブラックホールが巨大であるほど強い傾向にあります。

M87*は太陽質量の実に65億倍近くもあり、そこから放出されるジェットは、ハッブル宇宙望遠鏡によって5000光年に渡って伸びている様子が撮影されました。

しかし、どうしてM87銀河のブラックホールはここまで巨大化してしまったのでしょうか?

その理由は、M87銀河の多すぎる星団数に隠されていました。星団が銀河の周辺に生じる原因として最有力となるイベントは、銀河同士の衝突による星の拡散です。

銀河同士の衝突が起きると、大部分は時間をかけて融合していきますが、なかには周囲に飛び散るものもあり、ビッグインパクトによって月ができたように、銀河の周辺に独立した星団を形成します。

私たちの住む天の川銀河系では星団の数は200集団ほど確認されていますが、M87銀河の星団数は12000集団を数えます。

星団の数が多いということは、それだけ激しい銀河衝突を繰り返した可能性があり、銀河同士が衝突することで、中心部のブラックホールも融合して、巨大化したと考えられます。

光速度を超えて見えるジェットの速度

Credit:NASA/CXC/SAO/B. Snios et al.

ブラックホールはその重力によって多くの物質を引き寄せ、降着円盤という観測でも見ることにできる光る円盤構造を造ります。しかし、この物質のほとんどはブラックホールに落ちることはありません。

降着円盤に乗った物質の多くは、ブラックホールの極方向に伸びる磁力線をたどって勢いよく外へ放出されることになるのです。

これが現在有力とされているブラックホールジェットのメカニズムです。

これらのジェットはずっと連続して放射されるわけではなく、かなり不規則に発生します。そのためジェットは上の画像のように、定期的に現れる塊や結び目のような姿で観測されます。

今回の研究はこの塊に注目して観測が行われました。塊に注目して観測することで、ジェットの噴射時の場所と少し離れて移動した場所において、同じ粒子が放っているX線の放射を観測することができたのです。

この観測によって、今回の研究チームはジェットの速度を計測することに成功しました。

その結果は、驚いたことに見かけの速度が光速の6.3倍に達していたのです。

「ちょっと物理法則破ってるよ! アインシュタインは間違っていたの?」 と思う人もいるかもしれませんが、これはジェットの放射方向が、観測者の視線方向に傾いている場合に起きる、光学的な錯覚が原因です。

これを超光速運動と呼びます。

錯覚なので、本当に光速を超えて動いているわけではありません。

超光速運動とは?

Credit:wikimedia commons

超光速運動とはジェットが観測者の視線方向に近い角度で傾いているときに、起きる錯覚です。

これは私達に観測対象の移動速度を誤認させ、光速を超えているように見せるのです。

私達は物質を観測するとき、その放射される光子を見ます。ジェットの観測で見ているのはX線で可視光線ではありませんが、普通に物を見ることと原理は同じです。

観測では、物質の移動した距離を、ある点Aで放たれた光と、ある点Bで放たれた光の届く時間差で測定しますが、この光子の放射を見るとき、見るべき物質自体が光速に近い速度で移動しており、その移動する角度が視線方向に傾いているとき光速を超えているように誤認してしまうのです。

Credit:日本天文学会 天文辞典

上のグラフはジェットの角度θが視線に対して20度だった場合の、見かけの速度と実際の速度の比を描いたものです。このグラフを見るとジェットの速度が99%だった場合、見かけの速度は光速の500%になってしまうことがわかります。

今回の観測では、それが6.3倍(630%)になっていたということです。

そのためジェット角度などを含めて計算すれば、ジェットが物質を放出する正しい速度を得ることができます。そして計算されたジェットの速度は光速の99%を超えていたのです。

もちろん100%は超えません。これは物理法則で禁じられていることで、超えたら宇宙の法則が乱れてしまいます。

ジェットの速度が光速の99%近くに達することは以前から予想されていました。しかし、実際ジェットの速度を示す証拠が観測されたのは今回が初めてです。

これは観測精度がいかに向上しているかを示す好例でもあります。

ブラックホールのジェットは予想されていた通り、物理的に物質の出すことができる限界速度で放射されていたのです。

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reference: sciencealert,NASA,universetoday / written by ナゾロジー編集部 / Edited by KAIN
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