多くの銀河の中心には、太陽の数十万倍から数億倍もの質量を持つ超巨大ブラックホールがあると考えられています。なかでも、非常に大量の物質を吸い込む活動的な超巨大ブラックホールはそれを宿す母銀河にも多大な影響を与えると考えられており、銀河の進化を探る手がかりとしても注目されています。そのような中心核は、「活動銀河核」と呼ばれます。活動銀河核は、超巨大ブラックホールの重力に引かれて落下してくる物質のエネルギーをもとにして非常に明るく光っており、ブラックホールに吸い込まれそこねた物質はそのエネルギーを浴びて噴水のように噴き出していると考えられます。

これまでの観測から、活動銀河核を成す超巨大ブラックホールの周囲には、ガスと塵がドーナツ状に集まった分厚い構造があるという仮説が有力でした。これは、中心領域が非常にはっきりと見えている活動銀河核や、よく見えない活動銀河核が存在するという観測的事実を統一的に説明するためでした。ドーナツ構造があれば、活動銀河核の光が横方向には遮られるので、地球と活動銀河核の位置関係によって見え方が異なることが説明できます。こうした仕組みを、活動銀河核の「統一モデル」と呼びます。アルマ望遠鏡による過去の観測で活動銀河核を取り巻く回転ガス構造がはっきりととらえられ ^[1] 、この「統一モデル」で提唱されたドーナツ構造の実在が確かめられました。しかし、今回の研究チームを率いた国立天文台の泉拓磨氏は「ドーナツ構造の想像図は天文学の教科書や授業でよく出てきますし、近年の観測で存在自体は確認されていますが、いったいどのようにしてあのような分厚い構造ができるのか、その物理的起源はまだわかっていないのです。」と語ります。

鹿児島大学の和田桂一教授らは、スーパーコンピュータによるシミュレーションでこの謎に挑みました。活動銀河核からの強烈な光が周囲のガスに与える圧力、熱のやり取り、ガスの中での分子の生成と破壊、光の放出などさまざまな過程を組み込み、国立天文台が運用するスーパーコンピュータCray XC30「アテルイ」でシミュレーションを行った結果、「統一モデル」で想定されたドーナツ構造が次の3つの成分が合わさってできたものであることが示唆されました（図1）。すなわち、(1) ブラックホールを取り巻く薄い円盤の中で、回転しながらブラックホールに落下するガス、(2) ブラックホール周辺から噴き上げられるガス、(3) (2)の一部が重力によって円盤に落下してくる成分、です。つまり、ガスの流入・流出・落下が「噴水」のような流れをなし、自然にドーナツのような分厚い構造を作っていることが予測されたのです。この結果は、長年の謎であった活動銀河核のドーナツ構造の起源に迫るものとして世界的にも注目されています。

鹿児島大の和田氏は、「これまでの理論モデルは、ドーナツ的な構造を先に仮定して、その形や内部構造をいろいろ変えて活動銀河核の観測結果を説明しようとするものでした。しかし、私達は物理法則に基づく数式をきちんと解けば、自然にドーナツ的構造ができ、さらにさまざまな波長の観測結果も説明できるということを初めて示したのです。」と語ります。

観測の結果、一酸化炭素分子は超巨大ブラックホール周りを整然と運動する薄い円盤構造を作っていることが分かりました（シミュレーションのドーナツ構造の(1)の成分に相当）。その一方、炭素原子は、活動銀河核から噴き出すような動きをしていることが明らかになりました。しかしその速度は、超巨大ブラックホールとガス円盤の重力を振り切るほど速いものではありませんでした。つまりこの吹き出たガスの少なくとも一部は、やがて重力に引かれてまたブラックホールの近くに戻ってくると考えられるのです。この特徴もシミュレーション結果と一致するものであり、ドーナツ構造を構成する(2)と(3)の成分と考えられます。

また円盤部分の炭素原子は、一酸化炭素分子よりも乱雑に運動していることがわかりました。原子や分子の運動が乱雑であることは、すなわち圧力が高いことを意味します。今回の場合では炭素原子ガスの圧力が高く、その分ガスの厚みが大きくなっていると考えられます。ガスの運動が乱雑なのは、ドーナツ構造を構成する(3)の成分として落下してきた炭素原子ガスが円盤部分のガスと衝突してかきまぜられるためと解釈でき、(3)の成分が存在する証拠と考えられます。

「活動銀河核を取り巻くドーナツ構造の起源をはっきり示すことができた、と私たちは考えています。アルマ望遠鏡を使って、原子ガスと分子ガスの両方の分布や動きを詳細に調査することで初めて成し得た成果です。」と泉氏はコメントしています。

アルマ望遠鏡に搭載された炭素原子が放つ電波（周波数492 GHz）を観測することができる受信機は、日本が開発を分担したものでした。今回の結果は日本発のアイディアと技術が活かされた成果であり、また理論・シミュレーション研究と観測との協働の威力を示す成果ともいえるでしょう。

今後の展望として泉氏は、「今回の観測では、活動銀河核のまわりの原子ガスと分子ガスの動きと分布を詳しく調べることができました。残された重要な成分は、電離ガスです。NASAが開発中のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使えば、電離ガスの性質をより詳しく調べることができます。アルマ望遠鏡とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を組み合わせれば、活動銀河核周辺のガスの流れを完全に理解できると考えています。世界中の研究者と協力して、そのための研究計画を練っているところです」と語っています。

論文・研究チーム
この研究成果は、T. Izumi et al. “Circumnuclear Multi-phase Gas in the Circinus Galaxy II: The Molecular and Atomic Obscuring Structures Revealed with ALMA”として、2018年10月30日発行のアメリカの天文学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル」に掲載されました。

この研究を行った研究チームのメンバーは、以下の通りです。
泉拓磨（国立天文台）、和田桂一（鹿児島大学/愛媛大学/北海道大学）、福重亮佑（鹿児島大学）、濵村颯太（鹿児島大学）、河野孝太郎（東京大学）

この研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（No. 17K14247、16H03959、JP17H06130）による支援を受けています。