天文学者は超大質量ブラックホールがいかにして私たちにエネルギーを吹き込むかを知っている

地球から約 4 億 5000 万光年離れたヘルクレス座に、マルカリアン 501 という銀河があります。この銀河の可視光画像では、マルカリアン 501 は単純で面白みのない塊のように見えます。

しかし、見た目は特に宇宙では騙されることがあります。マルカリアン 501 は、光速に近い速度で移動する荷電粒子の発射台です。銀河の中心からは、高エネルギー粒子と放射線の明るいジェットが噴き出し、地球の方向に向かっています。そのため、マルカリアン 501 は加速する粒子を研究するのに最適な自然の実験室となっています。科学者がそれらの原因を理解できればの話ですが。

ネイチャー誌に掲載された論文では 今日、天文学者たちは、かつて見たことのないジェットの奥深くまで観察し、そもそも何がそれらの粒子を噴出させるのかを観察することができた。「粒子加速のモデルを直接テストできるのは今回が初めてです」と、フィンランドのトゥルク大学の天文学者で論文の筆頭著者であるヤニス・リオダキス氏は言う。

マルカリアン 501 は、ブレーザーと呼ばれる特別な種類の銀河の文字通り輝く例です。この銀河がこれほど明るく見えるのは、中心にある超大質量ブラックホールのおかげです。重力が密集した領域から高エネルギー粒子の巨大な源泉が噴出しており、光速に非常に近い速度で移動するジェットを形成し、その範囲は数億光年にも及びます。

多くの銀河には、このようにジェットを噴出する超大質量ブラックホールがあり、天文学者はこれを活動銀河核と呼んでいます。しかし、マルカリアン 501 のようなブレーザーは、ジェットが地球の方向を向いているという点で特徴付けられます。天文学者は、このブラックホールに向けられた望遠鏡を使って上流を観察することで、明るい電波から可視光、燃えるようなガンマ線まで、電磁スペクトルのあらゆる部分の波を乗り切る粒子の絶え間ない奔流をはっきりと見ることができます。

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ブレーザーは、宇宙のその一角をはるかに超えてその影響を広げることがある。例えば、南極の氷の下に埋められた検出器は、TXS 0506+56 と呼ばれるブレーザーからやってきたニュートリノを捉えた。ニュートリノは、物理学者の目を逃れようとする幽霊のような低質量粒子である。研究者が太陽系外（しかも 50 億光年離れたところ）から地球に降り注ぐニュートリノを捉えたのは、これが初めてだった。

しかし、超大質量ブラックホールが光やその他の電磁波を形成する原因は一体何なのでしょうか? そのジェットの中では何が起こっているのでしょうか? その内部でサーフィンをしたら、一体何を感じ、何を見るのでしょうか?

科学者たちもこれらの答えを知りたがっていますが、それは単に面白い極端な思考実験になるからというだけではありません。ブレーザーは天然の粒子加速器であり、現在地球上に建設できるどの加速器よりもはるかに大きく強力です。ブレーザージェットのダイナミクスを分析することで、どのような自然プロセスが物質を光速近くまで加速できるかを知ることができます。さらに、マルカリアン 501 は、地球から比較的近いため、研究対象としてより望ましいブレーザーの 1 つです。少なくとも、地球から数十億光年も離れた他のブレーザーと比べるとそうです。

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そこで、リオダキス氏と世界中の何十人もの同僚たちは、その観測に乗り出した。彼らは、NASAが2021年12月に打ち上げたクラゲのような望遠鏡、イメージングX線偏光探査機（IXPE）を使って、そのジェットの全長を観測した。特にIXPEは、遠方のX線が偏光しているかどうか、そしてその電磁波が宇宙でどのように向いているかを研究した。たとえば、電球からの波は偏光しておらず、あらゆる方向に揺れている。一方、液晶画面からの波は偏光しており、一方向にしか揺れないため、自分の画面を他の人から見えなくするなどのトリックが使えるのだ。

話を空に戻そう。天文学者がブラックホールのような源の偏光を知っていれば、そこで何が起こったかを再現できるかもしれない。リオダキス氏とその同僚たちは、何が起こるかある程度予想していた。というのも、この分野の専門家たちは何年もかけてコンピューターでジェットのモデル化とシミュレーションを行っていたからだ。「今回初めて、それらのモデルからの予測を直接テストすることができました」と彼は説明する。

犯人は衝撃波だと彼らは発見した。衝撃波とは、高速で移動する粒子の先端が低速で移動する粒子に衝突し、急流に押される漂流物のように粒子を加速させる現象である。この激しい衝突により、天文学者がIXPEの観測で確認したX線が生成された。

天文学者がX線偏光法を使って結果を見るのはこれが初めてだ。「これは、これらの源についての理解における本当に画期的な進歩です」とリオダキス氏は言う。

ネイチャー誌の付随記事で、論文の著者ではないイェール大学の天体物理学者、リア・マルコトゥリ氏は、この結果を「目を見張る」ものだと評した。「この大きな飛躍により、我々は極限粒子加速器の理解にさらに一歩近づくことになる」と彼女は書いている。

もちろん、ジェットに関してまだ多くの未解決の疑問が残っています。これらの衝撃波は、マルカリアン 501 のブラックホールから加速するすべての粒子を説明するのでしょうか? また、他のブレーザーや銀河にも、同様の衝撃波があるのでしょうか?

リオダキス氏は、研究チームが少なくとも2023年まではマルカリアン501からのX線の研究を続ける予定だと語る。これほどまばゆいばかりの物体を見ると、目をそらすのは難しい。