ほぼ全ての銀河の中心には太陽の数100万倍から数10億倍の質量を持つ超巨大ブラックホールが存在します。超巨大ブラックホール天体にはさまざまな活動性を示すものがありますが、中でも「クエーサー」は、ブラックホールの強い重力によって大量のガスが落ち込むことで極めて明るく輝く天体です。国際研究グループは、おとめ座の方向に位置する人類が初めて発見したクエーサー「3C 273」を観測し、クエーサーの最深部にあるプラズマジェットの様子を明らかにしました。
 

活動的な超巨大ブラックホール天体からは、しばしば「ジェット」とよばれる強力なプラズマ流が噴出します。ジェットのプラズマ流は非常に細く絞られ、その速度はほぼ光速まで達します。ジェットは過去数10年に渡って精力的に研究されてきましたが、その形成過程は未だ謎に包まれています。ジェットはそのプラズマ流が細く絞られることによって、しばしば母銀河の外側にまで到達し、銀河の進化や周辺環境にまで大きな影響を与えていると考えられています。しかしこのジェットがどのようにして、またどこで細く絞られるのか、その様子は未だ完全にはわかっていません。今回の新たな観測では、クエーサーから噴出するジェットが細く絞られている最深部の領域が初めて明らかとなりました。
 

今回の画期的な観測は、国際ミリ波VLBI観測網(GMVA)とチリにあるアルマ望遠鏡(ALMA)を組み合わせたGMVA+ALMAと呼ばれる国際的な電波観測網によって実現しました。研究グループは3C 273のジェット全体の形状を測定するために、欧米の高感度VLBI観測網 (HSA)による多波長観測も実施し、ジェットを異なる空間スケールで撮影しました。
 

本研究で明らかとなったクエーサー3C 273から噴き出すジェットの姿。図中左側の電波の画像は本研究で初めて明らかとなった根元から数光年に渡って伸びるジェットの最深部の姿を捉えています。右側のハッブル望遠鏡の可視光画像では3C 273から噴出する強力なジェットが母銀河を超えて数10万光年以上の彼方へと到達している様子が見られます。光の観測に加えて、複数の波長の電波画像を用いることで、様々な空間スケールに渡ってジェットの「形状」を詳しく調べることが可能となります。観測は2017年に行われ、チリのアルマ望遠鏡が初めて参加した国際ミリ波VLBI観測網(GMVA)と欧米の高感度VLBI観測網(HSA)が用いられました。
Credits: Hiroki Okino and Kazunori Akiyama; GMVA+ALMA and HSA images: Okino et al.; HST Image: ESA/Hubble & NASA.

「3C 273はクエーサーから噴出するジェットを研究する上で近傍に位置する最も理想的な天体でした。しかしこのような近傍のクエーサーであっても、強力なプラズマ流が形作られる中心部の構造をこれまで詳しく見ることはできませんでした。」こう語るのは、本論文の筆頭著者で国立天文台水沢VLBI観測所に所属する東京大学大学院生の沖野大貴（おきの ひろき）氏です。
 

今回撮影された3C　273の画像では、クエーサーから噴出するジェットの最も内側の領域が初めて捉えられました。さらに研究チームは、噴出するプラズマ流の開口角が中心から広範囲にわたって徐々に狭まっていき、細く絞られていくことを発見しました。ジェットの絞りこみが起きている領域は、中心の超巨大ブラックホールの重力が影響する領域を超えるはるか遠方まで続いていることが明らかになりました。
 
「非常に活動的なクエーサーにおいて、ジェットの強力なプラズマ流が広範囲に渡って徐々に絞り込まれていたことはとても興味深い発見です。」と話すのは、本研究プロジェクトを主導したマサチューセッツ工科大学ヘイスタック観測所の秋山和徳 主任研究員です。「このようなジェットの絞り込みの様子は近傍のより暗く活動度の低い超巨大ブラックホール天体でこれまで発見されてきました。活動性の全く異なる超巨大ブラックホール天体でなぜ同じようにジェットが絞り込まれるのか、これは今回の観測で新たに浮かび上がった謎です。」
 
今回新たに得られた3C 273ジェットの極めて高解像度の画像は、アルマ望遠鏡が観測に参加したことによりもたらされました。国際ミリ波VLBI観測網とアルマ望遠鏡が超長基線電波干渉(VLBI)技術を用いて大陸間をまたいで組み合わされたことで極めて高い感度と空間分解能を実現し、遠方に位置する天体の詳細な情報を得ることができました。このアルマ望遠鏡を用いたVLBI観測を実現させたのがALMA Phasing Project (APP)と呼ばれる国際プロジェクトです。マサチューセッツ工科大学ヘイスタック観測所が主導し、国立天文台も大きく貢献したAPPプロジェクトによって、アルマ望遠鏡をミリ波帯で世界最高感度を持つVLBI観測局にするための観測機器及びソフトウェアが開発されました。アルマ望遠鏡がミリ波帯のVLBI観測に参加することで観測網全体の分解能と感度を大幅に向上させることが可能となりました。
 
「ALMAが国際VLBI観測網に加わることで、ブラックホールの科学研究に革新的な進展をもたらしました。」こう語るのは、APPプロジェクトを主導するマサチューセッツ工科大学ヘイスタック観測所のLynn Matthews 主任研究員です。「この技術によって超巨大ブラックホールを初めて撮影することに成功し、さらに今ではブラックホールがどのようにジェットを発生させているのか、その極めて詳細な様子を観測できるようになりました。」　
 

本成果は、様々な超巨大ブラックホール天体から噴出するジェットの絞り込み過程の解明に向けて新たな扉を開いたと言えるでしょう。また今後の高い周波数帯での観測により遠方のクエーサーや他の超巨大ブラックホール天体の詳細な構造を調べることが可能となります。
「超巨大ブラックホールから噴き出すジェットの最初の発見から100年以上が経ちましたが、その形成メカニズムは未だに解明されていません。」とアルマプロジェクトの永井洋特任准教授は言います。「ALMAとGMVAによる今回の観測で形成メカニズムの理解が進展しましたが、将来さらに高い解像度で観測することで、これまで以上に深い理解を目指したいと考えています。」
本成果は米国の天文物理学雑誌『アストロフィジカル・ジャーナル』に現地時間2022年11月21日付けで掲載されました。

 
論文情報
この研究成果は、H. Okino et al. “Collimation of the relativistic jet in the quasar 3C 273”として、米国の科学誌「The Astrophysical Journal」に掲載されました (DOI: 10.3847/1538-4357/ac97e5)。

 
アルマ望遠鏡について
アルマ望遠鏡（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計、Atacama Large Millimeter/submillimeter Array: ALMA）は、欧州南天天文台（ESO）、米国国立科学財団（NSF）、日本の自然科学研究機構（NINS）がチリ共和国と協力して運用する国際的な天文観測施設です。アルマ望遠鏡の建設・運用費は、ESOと、NSFおよびその協力機関であるカナダ国家研究会議（NRC）および台湾行政院科技部（MoST）、NINSおよびその協力機関である台湾中央研究院（AS）と韓国天文宙科学研究院（KASI）によって分担されます。 アルマ望遠鏡の建設と運用は、ESOがその構成国を代表して、米国北東部大学連合（AUI）が管理する米国国立電波天文台が北米を代表して、日本の国立天文台が東アジアを代表して実施します。合同アルマ観測所（JAO）は、アルマ望遠鏡の建設、試験観測、運用の統一的な執行および管理を行なうことを目的とします。本研究では以下のALMAデータを利用しています。　ADS/JAO.ALMA2016.1.01216.V.
 
 
使用したVLBI観測網
 

 
今回の観測で使用されたVLBI観測網

青色の点は初めてチリのアルマ望遠鏡が参加した国際ミリ波VLBI観測網 (Global Millimeter VLBI Array; GMVA)の観測に参加した望遠鏡、黄色の点は欧米の高感度VLBI観測網(High Sensitivity Array; HSA)の観測に参加した望遠鏡を示しています。各色の線はそれぞれの観測網の参加望遠鏡を結ぶネットワークを可視化したもので、GMVAとHSA双方に用いられたネットワークは緑色で示されています。
Credit: Kazunori Akiyama

 
国際ミリ波VLBI観測網 (GMVA)
 

 
国際ミリ波VLBI観測網 (Global Millimeter VLBI Array; GMVA)の観測で使用した望遠鏡。GMVAは波長3mm帯の国際的なVLBI観測網です。2017年4月に行われた本観測では米国8箇所のVery Long Baseline Array(VLBA)のアンテナ、Effelsberg 100m電波望遠鏡、IRAM 30m望遠鏡、オンサラ宇宙天文台の20m望遠鏡、Yebes天文台の40m電波望遠鏡が参加し、そして初めてチリのアルマ望遠鏡が参加しました。
Credit: Kazunori Akiyama