巨大銀河M87(メシエ87)からのジェット。ブラックホールの観測をコンピュータモデルで説明

磁力線に沿って粒子が効率よく加速され、M87の場合は6000光年のスケールでジェットを形成しています。©Alejandro Cruz-Osorio, Goethe University Frankfurt 天文・宇宙

巨大銀河M87(メシエ87)から放出された巨大な粒子のジェットが、さまざまな波長で天文学的に観測されています。

フランクフルトのゲーテ大学のAlejandro Cruz Osorio博士とLuciano Rezzolla教授は、国際的な科学者チームと共同で、スーパーコンピュータを使った複雑な計算により、このジェットの形態の理論モデルを構築することに成功しました。

この計算で得られた画像は、これまでにないほど天文学的な観測結果と一致し、アインシュタインの一般相対性理論を裏付けるものとなりました。

銀河M87は、地球から5500万光年離れたおとめ座にある銀河です。

天の川銀河の200個の球状星団が控えめに見えるほど、12,000個の球状星団を持つ巨大な銀河です。

M87の中心には、太陽質量65億個分のブラックホールがあります。

国際的な研究共同体であるEvent Horizon Telescopeによって2019年に作成された画像が、存在する最初のブラックホールです。

このブラックホール(M87*)は、光速に近い速度のプラズマのジェット、いわゆる相対論的ジェットを6,000光年のスケールで噴射しています。

このジェットに必要な莫大なエネルギーは、おそらくブラックホールの引力に由来すると思われますが、このようなジェットがどのようにして発生するのか、また、このようなジェットが巨大な距離を超えて安定している理由は、まだ完全には解明されていません。

ブラックホールM87*は、円盤状に回転している物質を引き寄せ、物質が飲み込まれるまで、その軌道をどんどん小さくしていきます。

今回、ゲーテ大学の理論物理学者が、ヨーロッパ、アメリカ、中国の科学者とともに、この領域を詳細にモデル化しました。

1回のシミュレーションに100万CPU Hours1https://en.wikipedia.org/wiki/Sun_Cloud#CPU-hourという非常に高度な3次元スーパーコンピュータを使用し、アインシュタインの一般相対性理論の方程式、マクスウェルの電磁気学の方程式、オイラーの流体力学の方程式を同時に解く必要がありました。

その結果、温度、物質密度、磁場などの計算値が、天文観測から得られた値と非常によく一致するモデルが完成した。

これをもとに、ジェットの最奥部の湾曲した時空における光子の複雑な動きを追跡し、それを電波画像に変換することができました。

そして、このコンピュータモデルによる画像を、過去30年間に数多くの電波望遠鏡や衛星を使って行われた観測結果と比較することができたのです。

本研究の筆頭著者であるAlejandro Cruz-Osorio博士は、次のように述べています。

「M87の電磁放射とジェットの形態に関する私たちの理論モデルは、電波、光学、赤外線スペクトルの観測結果と驚くほどよく一致しています。このことから、超巨大ブラックホールM87*はおそらく高度に回転しており、ジェットの中でプラズマが強く磁化され、数千光年のスケールで粒子が加速されていることがわかります。」

ゲーテ大学理論物理学研究所のLuciano Rezzolla教授は、「我々が計算した画像が天文学的な観測結果に非常に近いという事実は、アインシュタインの一般相対性理論が、銀河の中心にある超巨大ブラックホールの存在を最も正確かつ自然に説明するものであることを、改めて確認する重要なものです。まだ別の説明をする余地はありますが、今回の研究結果によって、この余地はかなり小さくなりました。」と述べています。

Published by Goethe University Frankfurt am Main. Alejandro Cruz-Osorio et al., State-of-the-art energetic and morphological modelling of the launching site of the M87 jet, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-021-01506-w.