5 月 12 日、世界中で 9 回同時に開催された記者会見で、天体物理学者は天の川の中心にあるブラック ホールの最初の画像を明らかにしました。最初は素晴らしいものでしたが、私たちの銀河系の中央の闇の穴の周りの光の輪の苦労して作成された画像は、専門家がすでに予想していたことを単に証明しているように見えました:天の川の超大質量ブラックホールが存在し、回転しており、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論。
しかし、よく調べてみると、状況はまったく一致していません。
研究者たちは、光のベーグルの明るさから、射手座 A* (天の川銀河の中心にあるブラック ホールに付けられた名前) に物質がどれくらいの速さで落下しているかを推定しました。答えは、まったく速くないということです。イェール大学の宇宙学者であるプリヤ・ナタラジャン氏は、銀河を壊れたシャワーヘッドになぞらえながら、「わずかな細流まで詰まっています」と語った。どういうわけか、周囲の銀河間媒体から天の川に流れ込んでいる物質のわずか 1000 分の 1 だけが、ずっと下って穴に流れ込んでいます。 「それは大きな問題を明らかにしています」とナタラジャンは言いました。 「このガスはどこへ行くの？フローに何が起こっているのですか？ブラックホールの成長に対する私たちの理解が疑わしいことは明らかです。」
過去四半世紀にわたって、天体物理学者は、多くの銀河とその中心にあるブラック ホールとの間に緊密で動的な関係が存在することを認識するようになりました。ハーバード大学の理論天体物理学者であるラメシュ・ナラヤンは、「この分野では本当に大きな変化がありました。 「驚いたことに、銀河がどのように進化するかを形作り、制御するものとして、ブラック ホールが重要であることがわかりました。」
これらの巨大な穴 - 物質が非常に密集しているため、重力によって光さえ逃げることができない - は、銀河のエンジンのようなものですが、研究者はそれらがどのように機能するかを理解し始めたばかりです.重力は塵とガスを銀河中心に引き込み、超大質量ブラックホールの周りに渦巻く降着円盤を形成し、加熱して白熱プラズマに変えます。次に、ブラック ホールがこの物質を飲み込むと (少しずつ、または突然のバーストで)、フィードバック プロセスでエネルギーが銀河に放出されます。プリンストン大学の理論天体物理学者である Eliot Quataert 氏は、「ブラック ホールを成長させると、エネルギーを生成し、自然界で知られている他のどのプロセスよりも効率的に周囲に放出しています」と述べています。このフィードバックは、銀河全体の星形成率とガスの流れのパターンに影響を与えます。
しかし、研究者たちは、超大質量ブラック ホールが活動銀河核 (AGN) に変わる「活動」エピソードについて漠然とした考えしか持っていません。 「発動メカニズムは？オフスイッチとは？これらは、私たちがまだ解明しようとしている基本的な問題です」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのキルステン・ホールは述べています。
恒星が超新星として爆発するときに発生する恒星フィードバックは、より小規模な AGN フィードバックと同様の効果を持つことが知られています。これらの恒星エンジンは、小さな「矮星」銀河を制御するのに十分な大きさを簡単に実現できますが、最大の「楕円」銀河の進化を支配できるのは、超大質量ブラック ホールの巨大なエンジンだけです。
サイズ的には、典型的な渦巻銀河である天の川が真ん中に位置しています。私たちの銀河系は、その中心に明確な活動の兆候がほとんどないため、恒星のフィードバックによって支配されていると長い間考えられていました。しかし、最近のいくつかの観測結果は、AGN フィードバックもそれを形作っていることを示唆しています。私たちの故郷の銀河におけるこれらのフィードバック メカニズム間の相互作用の詳細を研究し、射手座 A* の現在の暗さのようなパズルに取り組むことで、天体物理学者は銀河とブラック ホールが一般的にどのように共進化するかを解明したいと考えています。天の川は「最も強力な天体物理学研究所になりつつあります」とナタラジャンは言いました。小宇宙として機能することで、「鍵を握るかもしれない」
銀河エンジン
1990 年代後半までに、天文学者は銀河の中心にブラック ホールが存在することを一般的に認めていました。それまでに、彼らはこれらの目に見えない物体を十分に近くで見ることができ、周囲の星の動きからその質量を推測することができました.奇妙な相関関係が明らかになりました。銀河が重くなるほど、中心のブラック ホールが重くなります。 「これは特にタイトで、完全に革新的でした。どういうわけか、ブラック ホールは銀河と話しているのです」と、カーネギー メロン大学の天体物理学者 Tiziana Di Matteo は言いました。
ブラック ホールは大きいのですが、銀河のサイズに比べてごくわずかであることを考えると、この相関関係は驚くべきものです。 (たとえば、射手座 A* の重さは太陽のおよそ 400 万倍ですが、天の川銀河の質量は約 1 兆 5000 億個です。) このため、ブラック ホールの重力は、銀河の最も内側の領域を強く引っ張るだけです。
英国王室の天文学者であるマーティン リース氏にとって、AGN フィードバックは、比較的小さなブラック ホールを銀河全体に結び付ける自然な方法を提供してくれました。その 20 年前の 1970 年代に、Rees は、超大質量ブラック ホールがクエーサーと呼ばれる、遠く離れた明るく輝く銀河で観測された発光ジェットに動力を供給しているという仮説を正しく立てました。彼は、ドナルド・リンデン・ベルとともに、ブラックホールが天の川の中心が輝く理由を説明するだろうとさえ提案した.これらはどこにでもある超大質量ブラック ホールのサイズを支配する一般的な現象の兆候でしょうか?
ブラックホールが飲み込む物質が多いほど明るくなり、増加したエネルギーと運動量がガスを外側に吹き飛ばすという考えでした。最終的に、外向きの圧力により、ガスがブラックホールに落ちるのが止まります。 「それでは成長が止まります。手を振る方法では、それが理由でした」とリースは言いました.または、ディ マッテオの言葉を借りれば、「ブラック ホールは食べてから飲み込む」のです。非常に大きな銀河は、中心のブラック ホールにより多くの重さを与え、ガスを外側に吹き出すのを難しくします。そのため、ブラック ホールは飲み込む前に大きくなります。
しかし、落下する物質のエネルギーがそのような劇的な方法で放出される可能性があると確信していた天体物理学者はほとんどいませんでした。 「私が論文を書いていたとき、私たちは皆、ブラック ホールが引き返せない点として取りつかれていました。ただガスが入ってくるだけです」と、Rees の大学院生として最初の AGN フィードバック モデルの開発を手伝った Natarajan は言いました。 「非常に急進的だったので、誰もが非常に用心深く慎重に行う必要がありました。」
フィードバックのアイデアの確認は、ディ マッテオと天体物理学者のフォルカー シュプリンゲルとラース ヘルンキストによって開発されたコンピューター シミュレーションから、数年後に行われました。 「私たちは、現実の宇宙で見られる驚くべき銀河の動物園を再現したかったのです」と、ディ マッテオは言いました。彼らは基本的な状況を知っていました。初期の宇宙では、銀河は小さくて密集しています。時計を進めると、重力がこれらの小人を見事な合体の炎のように砕き、輪、渦、葉巻、およびその間のあらゆる形を形成します。銀河は、十分な衝突の後、大きく滑らかになるまで、サイズと多様性を増していきます。 「それは塊になってしまいます」とディ・マッテオは言いました。シミュレーションでは、彼女と彼女の同僚は、渦巻銀河を何度も合体させることで、楕円銀河と呼ばれるこれらの大きな特徴のない塊を再現することができました。しかし、問題がありました.
天の川のような渦巻銀河には青く光る若い星がたくさんありますが、巨大な楕円銀河には赤く光る非常に古い星しか含まれていません。ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク天体物理学研究所のシュプリンゲル氏は、「彼らは赤くて死んでいる」と語った。しかし、チームがシミュレーションを実行するたびに、青く光る楕円形が吐き出されました。星の形成を止めていたものは何でも、彼らのコンピューターモデルに取り込まれていなかった.
その後、Springel は次のように述べています。圧力鍋の鍋のように、全体がバラバラになるまで、これらのブラックホールにガスを飲み込ませ、エネルギーを放出させます。突然、楕円銀河は星の形成を停止し、赤く死んでしまいます。」
「あごが落ちた」と彼は付け加えた。 「[効果] がこれほど極端になるとは予想していませんでした。」
真紅の楕円形を再現することで、シミュレーションはリースとナタラジャンのブラック ホール フィードバック理論を強化しました。ブラック ホールは、比較的小さいサイズにもかかわらず、フィードバックを通じて銀河全体と対話できます。過去 20 年間で、コンピューター モデルは洗練され拡張され、宇宙の大規模な帯をシミュレートしてきました。それらは、私たちの周りに見られる折衷的な銀河の動物園とほぼ一致しています。これらのシミュレーションはまた、ブラックホールから放出されたエネルギーが銀河の間の空間を熱いガスで満たしていることを示しています。 「人々は、超大質量ブラックホールが非常にもっともらしいエンジンであると今では確信しています」とシュプリンゲルは言いました。 「ブラックホールなしで成功したモデルを思いついた人はいません。」
フィードバックの謎
それでも、コンピューターによるシミュレーションは驚くほど率直です。
物質がブラック ホールの周りの降着円盤に向かって内側に忍び寄ると、摩擦によってエネルギーが押し戻されます。この方法で失われるエネルギーの量は、コーダーが試行錯誤を繰り返しながら手作業でシミュレーションに投入したものです。これは、詳細がまだとらえどころのないことを示しています。 「場合によっては、間違った理由で正しい答えが得られる可能性があります」と Quataert 氏は言います。 「おそらく、ブラック ホールがどのように成長し、周囲にどのようにエネルギーを放出するかについて、実際に最も重要なことは何かを捉えていないのかもしれません。」
真実は、天体物理学者は AGN フィードバックがどのように機能するかを本当に知らないということです。 「私たちはそれがどれほど重要かを知っています。しかし、このフィードバックの原因を正確に逃しています」とディ・マッテオは言いました. 「重要な問題は、私たちがフィードバックを物理的に深く理解していないことです。」
彼らは、一部のエネルギーが放射線として放出され、活動銀河の中心に特徴的な明るい輝きを与えていることを知っています。強い磁場は、拡散銀河風または強力な狭いジェットのいずれかとして、降着円盤からも物質を飛ばします。ブランドフォード・ズナイェック過程と呼ばれる、ブラックホールがジェットを放出すると考えられるメカニズムは、1970年代に特定されましたが、ビームのパワーと、そのエネルギーが銀河にどれだけ吸収されるかを決定するものは、「まだ未解決のままです。問題だ」とナラヤン氏は語った。降着円盤から球状に発せられる銀河風は、狭いジェットよりも銀河とより直接的に相互作用する傾向があり、さらに神秘的です。 「何十億ドルもかかる問題は、エネルギーがガスにどのように結合しているかということです。」とシュプリンゲルは言いました。
まだ問題があることを示す兆候の 1 つは、最先端の宇宙論シミュレーションのブラック ホールが、一部のシステムで観測された実際の超大質量ブラック ホールのサイズよりも小さくなることです。星の形成を止めて赤く死んだ銀河を作るために、シミュレーションではブラックホールが非常に多くのエネルギーを放出する必要があり、ブラックホールが成長を止めるように物質の内向きの流れを遮断します。 「シミュレーションのフィードバックはあまりにも積極的です。時期尚早に成長を妨げます」とナタラジャンは言いました.
天の川銀河は逆の問題の例です。通常、シミュレーションでは、このサイズの銀河には射手座 A* の 3 倍から 10 倍の大きさのブラック ホールがあるはずであると予測されています。
研究者たちは、天の川銀河と近くの銀河を詳しく調べることで、AGN フィードバックがどのように機能するかを正確に解明できることを期待しています。
天の川の生態系
2020 年 12 月、eROSITA X 線望遠鏡を使用する研究者は、天の川の上下に数万光年にわたって伸びる一対の気泡を発見したと報告しました。 X 線の巨大な泡は、10 年前にフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡が銀河から発しているのを検出したガンマ線の泡に似ていました。
フェルミ バブルの起源に関する 2 つの理論は、依然として熱く議論されていました。一部の天体物理学者は、それらが数百万年前に射手座 A* から飛び出したジェットの遺物であると示唆しました。泡は、銀河の中心近くで爆発する多くの星のエネルギーが蓄積されたものであり、星のフィードバックの一種であると考える人もいます.
台湾の国立清華大学の Hsiang-Yi Karen Yang 氏は、eROSITA X 線バブルの画像を見たとき、「飛び跳ね始めました」。両方が同じ AGN ジェットによって生成された場合、X 線がガンマ線と共通の起源を持つ可能性があることはヤンにとって明らかでした。 (X 線は、ジェット自体からではなく、天の川の衝撃ガスから発生します。) 共著者のエレン ツヴァイベルとマテウス ルシュコフスキーと共に、彼女はコンピューター モデルの構築に着手しました。 Nature Astrophysics に掲載された結果 この春、観測された気泡の形状と明るい衝撃前線を再現するだけでなく、気泡が 260 万年かけて形成されたと予測します (10 万年間活動していたジェットから外側に拡大します)。素晴らしいフィードバックによって説明されています。
この発見は、AGN フィードバックが、天の川銀河のような平凡な円盤銀河では、研究者が考えていたよりもはるかに重要である可能性があることを示唆しています。出現しつつある状況は生態系の状況に似ている、とヤン氏は述べた。そこでは AGN と恒星のフィードバックが銀河を取り囲む拡散した高温ガスと絡み合っており、これは銀河周媒質と呼ばれる。銀河の種類や時期によって、影響や流れのパターンが異なります。
天の川の過去と現在の事例研究は、これらのプロセスの相互作用を明らかにする可能性があります。たとえば、ヨーロッパのガイア宇宙望遠鏡は、天の川の何百万もの星の正確な位置と動きをマッピングしており、天体物理学者が小さな銀河との合体の歴史をたどることができます。このような合体イベントは、超大質量ブラック ホールに物質を振り込むことで活性化し、突然明るくなり、ジェットを発射することさえあるという仮説が立てられています。 「この分野では、合併が重要かどうかについて大きな議論があります」と Quataert 氏は述べています。ガイア星のデータは、フェルミ バブルと eROSITA バブルが形成された時点で天の川銀河が合体しなかったことを示唆しており、AGN ジェットのトリガーとして合体を好まない.
あるいは、ガスの塊がたまたまブラックホールと衝突し、それを活性化するかもしれません。それは、食べること、ジェットや銀河風としてエネルギーを吐き出すこと、一時停止することの間で無秩序に切り替わるかもしれません.
イベント ホライズン テレスコープによる射手座 A* の最近の画像は、現在の落下物質の細流を明らかにしており、解決すべき新しいパズルを提示しています。天体物理学者は、銀河に引き込まれたすべてのガスがブラック ホールの地平線にたどり着くわけではないことをすでに知っていました。これは、銀河風がこの降着の流れに逆らって外側に押し出されるためです。しかし、このように極端に先細りになった流れを説明するのに必要な風の強さは非現実的です。 「シミュレーションを行っても、大きな風は見られません」と Narayan 氏は言います。 「何が起こっているのかを完全に説明するのに必要な風ではありません。」
ネストされたシミュレーション
銀河がどのように機能するかを理解する上での課題の 1 つは、星やブラック ホールで作用する長さのスケールと、銀河全体とその周囲のスケールとの大きな違いです。コンピューターで物理プロセスをシミュレートする場合、研究者はスケールを選択し、そのスケールに関連する効果を含めます。しかし、銀河では、大小の効果が相互作用します。
「ブラック ホールは、大きな銀河に比べて本当に小さく、1 回の膨大なシミュレーションにすべてを入れることはできません」と Narayan 氏は述べています。 「各政権は相手からの情報を必要としていますが、関係を築く方法を知りません。」
このギャップを埋めようとするために、Narayan、Natarajan、および同僚は、ネストされたシミュレーションを使用して、天の川と近くの活銀河メシエ 87 をガスがどのように流れるかの一貫したモデルを構築するプロジェクトを立ち上げています。銀河がブラック ホールに何をすべきかを伝えてから、ブラック ホールからの情報が戻って銀河に何をすべきかを伝えます」とナラヤン氏は述べています。 「ぐるぐるぐるぐる回るループです。」
シミュレーションは、銀河内および銀河周辺の拡散ガスの流れパターンを明らかにするのに役立つはずです。 (ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡による銀河周縁物質のさらなる観測も役立つでしょう。) 「どうやってガスをブラック ホールに落として、すべてのエネルギーを追い出しますか?」
重要なのは、新しいスキームでは、異なるスケールのシミュレーション間のすべての入力と出力が一貫している必要があり、微調整するダイヤルが少なくて済むことです。 「シミュレーションが適切に設定されていれば、ブラック ホールに到達するガスの量を首尾一貫して決定します」と Narayan 氏は述べています。 「私たちはそれを調べて尋ねることができます:なぜそれはすべてのガスを食べなかったのですか?なぜそんなにうるさく、利用可能なガスをほとんど消費しなかったのですか?」このグループは、進化のさまざまな段階で銀河の一連のスナップショットを作成したいと考えています。
今のところ、これらの銀河の生態系についての多くはまだ予感です。 「人々がこれらの重複するシナリオについて考え始めているのは、本当に新しい時代です」とヤンは言いました。 「明確な答えはありませんが、数年以内に答えられることを願っています。」
編集者注:Priya Natarajan は現在、Quanta の科学諮問委員会のメンバーです。
