旋进的M87喷气喷口——显示巨大黑洞“自转”的新证据—

[English]

以EHT-Japan的成员们为中心的国际研究小组，使用以东亚VLBI网络为代表的观测装置，对从椭圆银河M87的中心喷出的射流的运动进行了详细的观测。对在过去20多年的观测中得到的大量图像进行分析总结后，发现射流的喷出方向以约11年为周期进行了广义相对论预言的旋进运动(摇头运动)。本成果既表明了M87的巨大黑洞在自转(自旋)，也证实了黑洞的自转与强力射流的产生有很深的关系。研究成果于2023年9月27日刊登在英国科学杂志《自然》上。

[图1]在自转的巨大黑洞周围进行旋进运动(立体摇头运动)的降落圆盘和射流的想象图。黑洞的自转轴在图的上下方向是固定的。当降落圆盘的旋转轴相对于黑洞的旋转轴倾斜时，由于广义相对论的效果会产生这样的旋进运动。信用: Cui et al. (2023 )，Intouchable Lab@Openverse，Zhejiang Lab。

人们认为，宇宙中许多银河的中心，潜伏着质量是太阳数百万倍到百亿倍的巨大黑洞。其中一部分非常活跃，喷出被称为喷气(※1 )的束状气体，作为“活动银河核(※2 )”而闪耀。这些巨大黑洞的性质和射流的形成机制还有很多谜团，是天文学的前沿主题之一。距离地球5500万光年的椭圆银河M87是最具代表性的活动银河核之一，作为2019年利用活动地平线望远镜( EHT※3 )拍摄到了质量相当于太阳65亿个的巨大黑洞的天体而闻名。 2023年4月，通过全球毫米波VLBI观测网( GMVA※4 )，围绕巨大黑洞的被称为“沉降圆盘(※5 )”的气体圆盘的情况也得到了证实。这样的观测决定了活动星系核的终极能量来源是巨大黑洞和沉降圆盘，同时也暗示了这些与射流的形成也有关系。另一方面，研究人员表示:“M87的巨大黑洞是否在自转(自旋)？ ”这个疑问继续作为一个重大的关注事项被讨论着。爱因斯坦的广义相对论表明，自转和质量是决定黑洞基本性质和周围时空结构的最重要因素。另外，近年来的理论研究提出，驱动强力射流需要黑洞的自转能量。但是，与根据黑洞的大小和周围星星的运动等比较容易测量的质量相反，从观测中辨别有无自转并不容易。研究小组此次以通过东亚VLBI网络( East Asian VLBI Network: EAVN※6 )及美国电波望远镜网络获得的观测数据为中心，分析了过去20多年积累的长达170张的M87射流的电波图像结果发现射流的喷出方向在约11年的周期内周期性变化(图2 )。在以前的研究中，暗示了存在M87喷气相对于喷出方向横向摆动的“神秘的横向摆动”现象(※7 )，但其原因和有无周期尚不清楚。

[图2] (上) EAVN等拍摄的M87喷气的电波图像的例子。从2013年到2018年，将在波长7mm波段拍摄的许多图像每两年平均成3个图像。从各图像中心部延伸的箭头表示喷射的喷出方向。 (下) 2000年到2022年之间测量的射流喷出方向的时间变化。红色正弦曲线表示与测量结果最佳匹配的11年周期旋进模型。图片信用: Cui et al. (2023 )

“做这个发现的时候我打了一个寒颤。 ”本研究的笔头作者、研究生时代在国立天文台水泽VLBI观测所进行研究的Zhejiang Lab (之江实验室)的崔玉竹研究员这样说道。 “光是分析12年的数据就很困难，但这是光靠这一点是绝对无法捕捉到的变化。仔细分析长达20多年的令人望而却步的海量数据促成了这次的新发现。 ” 这种射流的周期变化意味着什么呢？为了查明其原因，研究小组进一步使用设置在国立天文台水泽的天文学专用超级计算机“Ateriⅱ(※8 )”进行了理论模拟，并考察了观测结果。结果表明，观测到的11年周期的喷射振动可以用自转的黑洞拖动周围时空产生的被称为“透镜-先令旋进(※9 )”的运动很好地解释(图3 )。

[图3]在阿特鲁伊ⅱ进行的广义相对论磁流体模拟显示了着陆圆盘及射流的旋进情况。初期设置旋转轴相对于黑洞的自转轴倾斜的沉降圆盘，追踪其时间变化的情况。彩色图表示子午面上的密度。信用:川岛朋尚

“透镜-先令的岁差，类似于地球芝麻引起的岁差。在地球芝麻，作用于倾斜陀螺的地球重力会成为旋进运动的诱因。在这次的情况下，由于黑洞自转产生的力作用于倾斜的沉降圆盘，引起透镜-先令旋进。 ”负责理论模拟的东京大学宇宙线研究所的川岛朋尚研究员这样解释。 “利用阿特鲁伊ⅱ进行了旋转轴相对于黑洞自转轴倾斜的沉降圆盘的数值模拟。于是，发现由于透镜-先令的年龄差，着陆圆盘会以与观测相同程度的周期旋转。而且模拟结果显示，随着着陆圆盘的运动，射流也同样进行旋进运动。 ” 本研究有力地证实了M87的巨大黑洞正在自转。同时，这也强烈支持了自转与射流的形成密切相关的理论(※10 )，是在解决困扰研究者多年的难题上取得巨大进步的成果。 “本成果是以东亚地区为中心的世界45个研究机构的研究人员经过团队联合观测多年后终于揭开的令人兴奋的科学里程碑。 ”担任EAVN活动银河核科学工作组发起人的工学院大学纪基树客座研究员这样说道。 “完美拟合简单正弦曲线的长达20多年的观测数据，将为我们对黑洞和喷气射流的理解带来巨大的进展。 ” 在水泽从研究生时代就开始指导崔氏的研究，共同进行研究的国立天文台水泽VLBI观测所的秦和弘助教说:“在要求创造短期研究成果的今天，这次的成果可以说是长年踏实的数据积累带来重大发现的好例子。由于喷射的强大能量对周围的物质也有很大的影响，所以捕捉到促进其发生的黑洞自转的证据也可以成为解开银河形成·进化历史的线索吧。 ”的评论。研究小组继续观测M87喷气。作为EAVN的主要电视台，运用VERA望远镜的国立天文台水泽VLBI观测所所长本间希树教授说:“今后通过将得到的射流的形状变化与用EHT得到的黑洞的动画进行比较，希望能更加正确地导出黑洞和射流的连接和自转的速度。 ”他表达了今后的抱负。

论文信息

这项研究成果刊登在英国科学杂志《自然》2023年9月27日的Cui et al .“precess ing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87”上。这是包括日本10个机构在内的世界45个研究机构、79名研究者的国际共同研究成果。 DOI:10.1038/s41586-023-06479-6

URL: https://www./articles/s41586-023-06479-6

日本的贡献

在本国际共同研究中，日本的研究机构及日本研究者从各种各样的观点做出了重要的贡献。主要内容总结如下。研究总结及观测立案包括VERA等日本电波望远镜在内的EAVN的运用日韩联合相关器的开发联合运用观测数据的分析成像使用国立天文台天文学专用超级计算机“Atii”的观测结果的理论考察和京及富岳项目的模拟代码的开发

脚注.用语解说

※1光子环从巨大黑洞附近喷出的高速等离子气体的流动。其一大特征是具有光速的90%以上的速度，在保持着纤细的形状的情况下延伸到银河之外。喷气于1918年在M87银河中心被发现为“不可思议的光之箭”。如何摆脱巨大黑洞的重力，形成射流，加速到接近光速度，其阐明是天文学的一大课题。 ※2活动星系核在银河中，中心核的小区域非常明亮。这叫做活动星系。中心有一个巨大的黑洞，被吸入其中的气体和相反喷出的喷气被认为会明亮地闪耀着。 ※3 EHT (Event Horizon Telescope ) 主要是在波长1.3mm波段进行的全球范围的VLBI网络的名字。 2019年M87、2022年，关于银河中心，公开了由EHT拍摄的巨大黑洞图像。截至2023年，包括智利阿尔玛望远镜在内的世界9个地方11台毫米波望远镜加入了EHT的网络。 ※4 gmva (全球毫米阵列) 这是在3.5mm波段进行的全球VLBI网络的名称。截至2023年，包括智利阿尔玛望远镜在内的全球23台毫米波望远镜已加入GMVA网络。 ※5着陆圆盘气体被吸引向中心的沉重天体落下，这叫做降落。通常，气体在旋转运动的同时向中心天体落下。此时，在离心力的作用下，气体变成扁平的结构，形成的就是沉降圆盘。特别是在黑洞周围的沉降圆盘中，黑洞附近的重力能量被释放，转换成巨大能量的磁场和光能。一般认为，由沉降圆盘放大的磁场被运送到黑洞，对射流的形成起了很大的作用。另外，由于巨大的能量作为光被释放，伴随着沉降圆盘的巨大黑洞被观测为活动星系核。 ※6 eavn ( east Asian VLBI网络；东亚VLBI网络) 是由以日本、韩国、中国、泰国为首的东亚、东南亚地区的电波望远镜构成的国际VLBI网络。截至2023年，共有16台射电望远镜加入网络，以4.5cm波段、1.3cm波段、7mm波段的3个观测波段为中心进行运用。最大基线长为中国南尚-小笠原之间的5100km。共有13台电波望远镜(水泽、来来、小笠原、石墙、日立、高萩、野边山、首尔、乌尔桑、丹纳、约翰、上海、南山)参加了本研究的观测。另外，意大利(梅迪奇纳、笔记本、撒丁尼亚)和俄罗斯(巴里)的射电望远镜也参加了部分EAVN观测。 ※7 从以前开始就众所周知，流动的情况会沿着喷射的喷出方向变化。 ※8超级计算机“阿特鲁伊ⅱ” 国立天文台天文模拟项目运用的天文学专用超级计算机。理论运算性能为3.087 PETA flop (1PETA为10的15次方，flop是表示计算机每秒可处理的运算次数的单位)，是世界上天文学数值计算专用机中最快的。设置在岩手县奥州市的国立天文台水泽校区，与平安时代活跃的当地英雄阿特鲁伊相似命名。包含着“希望你勇猛果敢地挑战宇宙之谜”的愿望。 ※9透镜-密封效应/岁差( Lense-Thirring效应/岁差) 在自转的天体(黑洞、地球等)周围，广义相对论效果会使时空本身受到天体自转的拖动而旋转。这种时空拖曳效应称为透镜-密封效应。由透镜先令效应引起的年龄差运动就是透镜先令的年龄差。旋进是指物体的旋转轴像锯齿一样一边画着圆一边摆动的现象。对于着陆圆盘，当着陆圆盘的旋转轴和黑洞的旋转轴倾斜时会发生这种现象。另外，透镜-先令的岁差不限于黑洞等极端的强重力天体，也由地球等弱重力天体的自转引起。例如，2000年代，美国航天局和斯坦福大学发射的卫星“gravity probe B”搭载的陀螺仪，在理论预测的15%的范围内，验证了地球自转引起的微弱时空拖曳引起的旋进的情况。而且，在这次的M87的观测中，成功地就黑洞周围的重力场引起的极强的时空拖曳效果和透镜-先令旋进的色差，显示了迄今为止最强的证据。 ※10品牌福特- znajek机构( Blandford - Znajek机构) 相对论性喷气的加速机构，从1918年首次在M87上观测到喷气至今已有100年，但至今仍不清楚。目前，加速机构最有力的候选机构是品牌福特·兹纳埃克机构。理论表明，这是一种通过磁场抽取黑洞自转能量的机制，很有可能将射流加速到光速的99%以上。由于黑洞需要自转，通过这次的观测掌握了需要天体自转的透镜-先令旋进的证据，证实了品牌福特·斯那克机制很有可能正在发生。

致谢词

该研究由文部科学省/日本学术振兴会科学研究费补助金( No. JP18H03721、JP19H01943、JP18KK0090、JP21H01137、JP22H00157、JP18K13594、jp19h 000 JP19KK0081 )、文部科学省超级计算机“富岳”成果创造加速程序“通过模拟和AI的融合来阐明的宇宙结构和进化”( JPMXP1020230406 )、以及其他，都是在国际支持下进行的。关于所有支援机构，请参阅论文谢辞。

国内联合发表机构

自然科学研究机构国立天文台、茨城大学、大阪公立大学、工学院大学、驹泽大学、综合研究研究生院大学、筑波大学、东京大学宇宙线研究所、东洋大学、山口大学

[記者発表で用いた資料はこちら]

咨询处秦和弘国立天文台水泽VLBI观测所 Email: kazuhiro.hada哎呀纪基树工学院大学 Email: motoki.kino啊川岛朋尚东京大学宇宙线研究所 Email: kawshm哎呀icrr. 本间希树国立天文台水泽VLBI观测所 Email: mareki.honma哎呀山冈均国立天文台天文信息中心 E-mail: hitoshi.yamaoka哎呀影像.视频集

东亚VLBI网络( EAVN )

信用:国家天文台

超级计算机“Atii”

信用:国家天文台

射流喷出方向随时间变化的情况

信用: Cui et al.(2023 )

从M87银河的巨大黑洞喷出的喷气视频

[ジェットの向きの矢印ガイドなし版はこちら]

信用: Cui et al.(2023 )，animation by Kazuhiro Hada

アテルイIIによる理論シミュレーション動画

通过实施一般相对论辐射传输计算(光的传播计算)，将本研究所示的一般相对论磁流体模拟(高温气体运动的模拟)的结果可视化的视频。上下延伸的苍白区域是喷气，中心附近的淡蓝色区域是降落圆盘。展示了镜头-先令旋进的情况。初期射流的方向为右斜上/左斜下。在左上的模拟时刻( t )，从14000左右开始透镜-先令旋进运动，在时刻20000左右旋转到左斜上/右斜下的方向，在视频的最后( 26000附近)返回到接近初期的方向。模拟时间10000约相当于10年，可以看出发生了约10年周期的岁差运动。另外，该视频考虑了可视性，模拟了比实际的M87更倾斜方向(赤道面方向)的观测。计算中使用了阿替洛尔ⅱ。信用::川岛朋尚、高桥博之、大须贺健

围绕自转的黑洞旋进的着陆圆盘和射流的CG动画

[簡易デザイン版はこちら]

信用: Cui et al. (2023 )，Intouchable Lab@Openverse，Zhejiang Lab

【原】旋进的M87喷气喷口——显示巨大黑洞“自转”的新证据——