急速に物質を取り込むブラックホールが明らかにした重要な内側境界
約4億2,000万光年離れた超大質量ブラックホールは、落ち込む物質の形状と温度の変化によって強力なジェットを生み出している可能性がある。銀河3C 120の観測から、比較的低温で平坦な円盤はブラックホールの手前で途切れ、その内側には、強い磁場が集まりうる、はるかに高温のプラズマが満ちた領域があることが示された。
目次
東北大学の野田博文准教授と名古屋市立大学の羽田和弘准教授が率いるチームは、日本のX線分光撮像衛星XRISMの観測と、3つの国際的な電波望遠鏡ネットワークによる測定を組み合わせた。これらの観測装置によって、流れ込む物質の構造とブラックホール近傍から噴き出す細いジェットとが結び付けられた。
2026年10月19日付の『The Astrophysical Journal Letters』に掲載されたこの研究は、ある謎に取り組んでいる。ブラックホールは、物質を急速に取り込みながら、光速に近い速度で強力なプラズマ流を放出できるのか。急速な物質供給時に形成されると考えられてきた円盤は、その過程に必要な磁場を集めるには適さないとみられていた。
東北大学が10月20日に発表した研究発表は、その答えとなる可能性を示している。外側の低温の円盤から高温の内側流へと移り変わることで、磁場がブラックホールの回転エネルギーを取り出し、ジェットへ送り込める環境が生まれるという。
3C 120が謎をもたらす理由
3C 120は、おうし座の方向にある。この銀河の中心にあるブラックホールの質量は太陽約6,000万個分で、周囲の物質を急速に取り込む一方、強力なジェットも生み出している。この組み合わせは、物質の供給とジェットの生成がどう結び付いているかを調べるうえで、格好の観測対象となる。
ブラックホールに近づく物質は通常、横向きの運動をしているため、真っすぐ落下せず、内側へ向かって回転する。物質は降着円盤に集まり、摩擦などの過程で熱せられて、光やその他の放射を放つ。天文学者はその放射を調べ、直接観察できない領域の状態を理解する。
物質が急速に流れ込む場合、ブラックホールのすぐ近くまで広がる、比較的低温で幾何学的に薄い円盤ができると一般に考えられている。ここでいう低温とは、中心近くのはるかに高温なプラズマと比べた表現だ。薄い円盤は、平らなシートのように、幅に対して垂直方向の厚みが小さい。
課題は磁場にある。強力なジェットを説明する有力な説では、回転するブラックホールの近くに強い磁場が必要とされる。薄い円盤では、必要な磁場構造を保つのが難しいと考えられている。より高温で厚みのある内側流は、磁場の形成に適した環境となる。そのため、円盤の形が変わる場所が研究の焦点となった。
XRISM、鉄を手掛かりに円盤を読み解く
宇宙航空研究開発機構のミッションであるXRISMは、3C 120のブラックホール周辺の物質から放出されたX線を検出した。鉄は特定のエネルギーで放射を放ち、X線スペクトルに輝線と呼ばれる特徴的な形を作る。スペクトルは、放射をエネルギーごとに分けて示すものだ。
鉄の輝線はブラックホール近くで形を変える。観測者に近づく物質や遠ざかる物質は、届く放射のエネルギーを変化させる。また、ブラックホール近傍の強い重力も、脱出するX線のエネルギーを変える。これらの効果が合わさり、輝線は広がり、ゆがむ。
研究チームはそのゆがみを使い、比較的低温の円盤がどこまで内側に延びているかを推定した。大学の発表によると、内縁はブラックホールの半径の約20倍の距離にある。論文ではこの境界を約20重力半径と表現している。重力半径はブラックホールの質量に基づく距離の尺度だ。
チームは、この境界の内側で高温かつ幾何学的に厚い流れへと移行すると推定している。そこにあるプラズマの温度は、数億度に達すると考えられる。プラズマとは、電子が原子から分離した気体で、磁場と強く相互作用する性質がある。
電波望遠鏡でジェットを内側へたどる
ほぼ同じ時期に行われた電波観測が、もう一方の手掛かりをもたらした。研究チームは、グローバル・ミリ波VLBIアレイ、超長基線アレイ、東アジアVLBIネットワークを使い、ブラックホールに近づくにつれて細くなるジェットを追跡した。
これらのネットワークは、超長基線電波干渉法（VLBI）によって、遠く離れた望遠鏡の観測データを組み合わせる。この手法により、単独の電波望遠鏡では捉えられないほど細かな構造を見分けられる。今回の研究では、ジェットを発生源へ向かって追跡するのに役立った。
研究者らはジェットの形状から、その基部の半径はブラックホールの半径の約10倍以下と推定した。両方の観測を合わせた解釈では、ジェットはX線測定で特定された高温の内側流の中、ブラックホールに近い領域から噴き出している。
研究を共同で率いた東北大学の野田准教授は、観測を組み合わせる意義について次のように説明した。
最先端のX線望遠鏡と電波望遠鏡で同じブラックホールを観測したことで、ブラックホールを取り巻く高温プラズマと、そこから噴き出すジェットの両方を見ることができました。これにより、ブラックホール近傍の極限環境とジェットの形成を直接結び付けられます
回転エネルギーがジェットに供給される仕組み
チームが提案する説明は、回転するブラックホール、高温のプラズマ流、強い磁場という3つの要素を結び付ける。低温の外側円盤が物質を供給する。ブラックホールに近づくと、より高温で厚みのある流れが生じ、磁場が集まりやすい領域を作る。
そこに集まった磁場は、ブラックホールの回転エネルギーの一部を取り出し、細いプラズマ流へ送り込む可能性がある。この過程を説明する有力な理論は「ブランドフォード・ナエック機構」と呼ばれる。簡単に言えば、磁場がブラックホール近傍の回転する環境と、外向きに加速される物質とを結び付ける。
つまり、ブラックホール近傍でジェットが動力を得る一方、別の物質は内側へ落ち続ける。この系では、物質が内側へ供給される動きと、エネルギーを周囲の銀河へ運ぶ外向きの流れが連動している。
3C 120について研究者らは、外側の薄い円盤から内側の厚い流れへの変化によって、こうした動きが両立すると提案している。正確な磁場構造や、回転エネルギーがジェットへ移る仕組みについては、今後の研究課題だ。
構造の変化が観測結果を結び付ける
論文のタイトル「降着率の高い超大質量ブラックホールにおける円盤の切断が相対論的ジェットの噴出を引き起こす」は、提案された関係を端的に表している。円盤の切断とは、低温で薄い円盤がブラックホールに達する前に終わることを意味する。「相対論的」とは、アインシュタインの相対性理論を用いなければ理解できないほどの速さで運動することを指す。
X線測定は、低温の円盤の内縁を特定する。電波測定は、その内側の領域へ向かってジェットをたどる。両方の観測を合わせることで、急速に物質を取り込む系が、強力なジェットに適した環境をどう保てるのかについて、空間的な説明が得られた。
これは、同じ天体の周囲に円盤とジェットがあると確認するだけのものではない。円盤の構造変化とジェットが始まる場所を結び付け、内向きの物質と外向きの物質を一つの物理的な描像にまとめている。
3C 120が特に有用なのは、物質を比較的速いペースで取り込んでいるからだ。今回の研究は、すでに高温で厚い流れがジェット生成の磁場説を支持する手掛かりとなっている、M87のような、物質の供給がより少ない活動銀河と比較している。この成果は、異なる物質供給環境へ研究を広げるものだ。
銀河1つにとどまらない成果の意義
ジェットは、超大質量ブラックホールのすぐ周囲からエネルギーを運び去る。銀河内や銀河周辺のガスと相互作用すると、星が形成される環境を変えることがある。したがって、ブラックホール近傍のエンジンを理解することは、はるかに大きなスケールで起きる変化を調べる手掛かりとなる。
3C 120の成果は、こうしたスケールをつなぐ具体的な関係を示している。流れ込む物質の構造が、強力なジェットを形成できるかどうかを左右する可能性がある。ブラックホール近傍の境界が、はるか遠方へどのようにエネルギーが届けられるかに影響しうる。
チームは現在、XRISMと世界各地の電波天文台を使い、さらに質量の大きなブラックホールの協調観測を進めている。また、提案した形状が物質や磁場の振る舞いをどの程度説明できるかを検証するため、観測結果を理論モデルやコンピューターシミュレーションと比較する計画だ。
野田氏は、次の段階の目的について次のように述べた。
次の目標は、こうした極限環境で物質、磁場、ブラックホールの回転がどう相互作用するのか、より完全な全体像を築くことです。この過程を理解することは、超大質量ブラックホールが銀河や宇宙のより大きな構造の進化にどう影響するかを、より深く理解する助けにもなるでしょう
論文発表と今後の観測
この研究では、日本のX線ミッションと、複数の地域にまたがる電波望遠鏡ネットワークが連携した。相補的な測定が研究手法の要となる。X線は降着流の状態を明らかにし、電波観測はジェットの構造を追跡する。
論文発表と今後の計画は以下の通りだ。
- 2026年10月19日：野田氏と羽田氏が率いた研究が『The Astrophysical Journal Letters』に掲載。
- 2026年10月20日：東北大学が成果を発表し、X線と電波を組み合わせた観測について説明。
- 次の段階：チームはさらに質量の大きなブラックホールの協調観測を進め、結果をモデルやシミュレーションと比較する。
論文のDOIは10.3847/2041-8213/aeaa2c。この研究の詳細は公式の研究発表にも掲載されている。同じ観測手法を別のブラックホールに適用することで、3C 120で見つかった構造の変化が異なる系でも見られるかどうかを調べられる。
要点
- XRISMと3つの電波望遠鏡ネットワークが、約4億2,000万光年離れた3C 120を観測した。
- この銀河のブラックホールの質量は太陽約6,000万個分で、物質を急速に取り込みながら強力なジェットを噴出している。
- X線測定から、低温で薄い円盤はブラックホールに達する前に終わり、その内側で、はるかに高温の流れへ移行することが示された。
- 電波観測は、ジェットの発生源がその高温の流れのある領域に位置することを示している。
- 研究チームは、そこに集まる磁場がブラックホールの回転エネルギーを取り出し、ジェットを駆動すると提案している。
- 今後の観測では、さらに質量の大きなブラックホールを調べ、理論モデルやシミュレーションと照らしてこの説明を検証する。
