こちらは、最新の研究成果にもとづいた「はくちょう座X-1（Cygnus X-1）」の想像図。ブラックホールから噴出するジェットが、超巨星からの強力な恒星風によって押し流され曲がっている様子が描かれています。


【▲ カーティン大学のSteve Prabuさんらの研究成果にもとづいた「はくちょう座X-1」の想像図。ブラックホール（右）から噴出したジェットが、青色超巨星（左）からの恒星風に流されている様子が描かれている（Credit: ICRAR）】

恒星風に流された“踊るジェット”

カーティン大学のSteve Prabuさんを筆頭とする研究チームは、恒星質量ブラックホールと青色超巨星からなる連星系「はくちょう座X-1」に関する新たな研究成果を発表しました。研究チームの成果をまとめた論文は学術誌「Nature Astronomy」に掲載されています。


研究チームによると、ブラックホールのジェットが超巨星から吹き出す強力な恒星風によって押し流され、連星の軌道運動に伴って様々な方向に曲がる現象が初めて観測されました。Prabuさんたちはその様子を、強い風に吹き飛ばされる噴水の水にたとえて「踊るジェット（dancing jets）」と表現しています。


太陽1万個分に相当するパワー

これまでの天文学における大きな課題のひとつは、ある瞬間にブラックホールがどれほどのエネルギーをジェットとして放出しているか、言ってみれば“ジェットの瞬間的なパワー”を直接測定することでした。


そこで、ブラックホールと恒星からなるはくちょう座X-1に着目した研究チームは、恒星風の強さとジェットの曲がり具合をモデル化して分析することで、この瞬間的なパワーの測定に挑戦しました。


その結果、はくちょう座X-1のブラックホールが噴出させているジェットのパワーは太陽1万個分の出力に相当することや、ジェットの噴出速度が光速のおよそ半分（秒速約15万キロメートル）に達することが明らかになりました。さらに、ブラックホールに落下する物質から放出されたエネルギーのうち、ジェットに変換されるのは約10パーセントであることが明らかになったといいます。


宇宙進化シミュレーションの仮説を証明

様々な銀河の中心には、質量が太陽の数十万倍〜数十億倍にもなる超大質量ブラックホール（超巨大ブラックホール）が存在するとみられています。この巨大なブラックホールから噴出するジェットは周囲の環境にエネルギーを供給することで、銀河の成長や進化に影響を及ぼしていると考えられています。


【▲ 参考画像：Hubble（ハッブル）宇宙望遠鏡が観測した楕円銀河「M87」。太陽の約65億倍に達する質量を持つ超大質量ブラックホールが、長さ約5000光年のジェットを噴出させている（Credit: NASA, ESA, STScI, Alec Lessing (Stanford University), Michael Shara (AMNH); Acknowledgment: Edward Baltz (Stanford University); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)）】

宇宙の進化に関する大規模なシミュレーションを行う上で、天文学者は「ブラックホールに落下する物質のエネルギーの約10パーセントがジェットに変換される」という仮説を用いてきました。ただ、これまでは何千年から何百万年にもわたる長い期間の平均的なエネルギーを算出することはできたものの、ある時点での瞬間的なエネルギーを知ることはできていませんでした。


はくちょう座X-1のブラックホールは恒星質量ブラックホール（質量は太陽の数倍〜100倍程度）であり、銀河中心の超大質量ブラックホールに比べれば、はるかに軽い天体です。ただ、ブラックホールは質量が大きく異なっても物理的なメカニズムはとても良く似ていると考えられているため、今回の研究成果は長年の仮説を直接的に証明するものだと受け止められています。


大陸規模の電波望遠鏡ネットワーク

今回の測定を実現するために、研究チームはアメリカのVLBA（超長基線アレイ）と、ヨーロッパを中心にしたEVN（ヨーロッパVLBIネットワーク）という2つの電波望遠鏡群を使用しました。


カーティン大学によると、数千キロメートル離れた望遠鏡群が連動し、大陸規模の巨大な単一の望遠鏡として機能することで、研究チームは極めて高い解像度でジェットを画像化できました。さらに、過去18年間にわたるアーカイブデータを再解析することで、ジェットの形状変化を詳細に追跡することもできたといいます。


【▲ 2016年のVLBA（超長基線アレイ）による観測データを時系列に並べたもの。等高線（コンター）は実際に観測されたジェットの電波強度、水色の帯は研究チームのモデルから推定されたジェットの軌跡。時間の経過（左から右）につれてジェットの曲がる方向が変化している様子がわかる。研究チームの論文から引用（Credit: Prabu et al.）】

今後は建設中の電波望遠鏡群「SKA（スクエア・キロメートル・アレイ）」などの観測が始まることで、さらに多くの遠方銀河でブラックホールのジェットが観測されるようになると予想されています。今回の観測結果は、そのようなジェットのエネルギーを評価するための重要な基準として役立つことが期待されています。


 


文／ソラノサキ　編集／sorae編集部


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