「スマートアイズ」による中国の最新発見！武漢大学天文学部率いるチームがブラックホール研究で新たな成果を上げました！

9月1日、世界的に権威のある学術誌「サイエンス」は、武漢大学天文学部のYou Bei氏が率いる国際チームによるブラックホール降着磁場に関する最新の研究成果を長文の記事で掲載した。論文のタイトルは「ブラックホールX線連星の観測により、磁気的に閉じ込められた降着円盤の形成過程が明らかになった」です。

この研究では、我が国初の宇宙X線天文衛星「インサイト」の観測データと、地上の電波望遠鏡と光学望遠鏡の観測を組み合わせて、ブラックホールの周囲に磁気的に閉じ込められた降着円盤の形成過程の直接的な観測証拠を発見しました。

武漢大学はこの論文の最初の署名機関であり、You Bei准教授が第一著者である。共同責任著者は浙江大学のYou Bei氏、Cao Xinwu教授、上海天文台のYan Zhen研究員である。協力者には、フランスのストラスブール天文台の研究者ジャン＝マリー・ハメウリ氏、ポーランド理論物理学センターのボジェナ・チェルニー教授、武漢大学の2017年度学部生ウー・ユエ氏とシア・ティエンユ氏、ポーランド科学アカデミーコペルニクス天文センターのマレク・シコラ教授とピオトル・T・ジツキ教授、中国科学院高エネルギー物理研究所の研究者チャン・シュアンナン氏とドゥ・プ氏が含まれています。

ブラックホールがガスを捕らえる物理的な過程は「降着」と呼ばれ、ブラックホールに向かって落下するガスはプラズマ状態にある降着流と呼ばれます。降着流の粘性プロセスにより、重力による位置エネルギーが効果的に解放され、部分的に放射エネルギーに変換され、地上および宇宙望遠鏡で観測できる多帯域放射が生成されます。したがって、ブラックホールはガスを集積することによって間接的にその存在を明らかにします。この放射線の観測はブラックホールを研究する重要な方法となっている。

2019年、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）共同研究チームは人類史上初のブラックホール写真（M87）を公開し、私たちが「見ることができる」ブラックホールとその周囲の謎を解明しました。しかし、ブラックホールの周囲には「目に見えない」磁場も存在します。ブラックホールがガスを吸収するにつれて、磁場も内側に引き込まれます。理論によれば、降着ガスが外部の弱い磁場を継続的に持ち込むと、降着流の内側領域の磁場は徐々に強くなると考えられています。それに応じて、降着流に対する磁場の外向きの磁力は徐々に増加し、最終的にはブラックホールの内向きの重力に対抗するようになります。このとき、降着物質は磁場に捕らえられ、ブラックホールの事象の地平線に自由に素早く落下することができず、磁気閉じ込めディスクが形成されます。磁気閉じ込めディスクの理論モデルは非常に成熟して開発されており、ブラックホール降着システムの多くの複雑な観測現象をうまく説明しています。しかし、磁気トラップディスクの存在を直接観測した証拠はなく、磁気トラップディスクがどのように形成されるかは未解決の謎のままです。いくつかの研究では、M87銀河の中心にある超大質量ブラックホールの周囲に磁気閉じ込めディスクが存在する可能性があることが指摘されている。しかし、EHT による M87 の極めて高解像度の観測によって、ブラックホール付近の磁場 (位置など) に関する情報は得られたものの、磁気閉じ込めディスクの存在は確認できませんでした。

銀河の中心にある超大質量ブラックホールに加えて、宇宙には恒星質量ブラックホールも存在します。現在、天文学者は多くの連星系に恒星質量ブラックホールの存在を検出しており、その質量は一般に太陽の約10倍です。研究チームは、ブラックホールX線連星MAXI J1820+070の爆発のマルチバンド観測データを使用して、ジェットの電波放射と降着流の外側領域の可視放射が、降着流の内側領域（ホット降着流）の高温ガスの硬X線よりそれぞれ約8日と17日遅れるという、前例のない長時間遅延現象を観測しました。研究チームは、降着円盤の外側領域の弱い磁場はブラックホール周囲の熱降着流によって強化されていると指摘した。降着流の半径スケールが大きいほど、磁場の増強は顕著になります。研究チームはX線観測データを分析した結果、降着率の低下とともに硬X線放射が減少する一方で、降着率の低下とともに高温降着流の半径スケールが急激に拡大し、ブラックホール付近の磁場が急激に強化されて、硬X線放射のピークから約8日後に磁気閉じ込めディスクが形成されることを発見した。

この研究により、降着流における磁場輸送プロセスと、ブラックホール付近の高温降着流における磁気閉じ込めディスクの形成の全プロセスが初めて明らかになりました。したがって、これはこれまでで最も直接的な磁気トラップディスクの存在を示す観測的証拠です。物理過程の普遍性により、この研究成果は、さまざまな規模のブラックホール降着円盤における大規模磁場の形成やジェット加速のメカニズムなど、重要な科学的課題の理解を大きく前進させるものとなるでしょう。

さらに、研究チームは、ブラックホールのX線連星爆発過程の数値シミュレーションを通じて、ブラックホールの集積が終わろうとする時、硬X線の照射により、外側の領域にあるより多くの集積物質が不安定性によりブラックホールに向かって加速落下し、集積流の外側領域で光学閃光が発生し、そのピークは熱集積流の硬X線放射ピークより約17日遅れていることを初めて明らかにした。

中国のスマートアイは目覚ましい成果を上げている

「ひとみ」は我が国初の宇宙X線望遠鏡であり、宇宙科学パイロットプロジェクトの第1フェーズの最終成果です。その名前は、中国が宇宙において「独特のビジョン」を持っていることを暗示しているだけでなく、我が国の女性科学者である何澤輝氏を記念するものでもある。 2017年6月、Insight-HXMT硬X線変調望遠鏡が宇宙に打ち上げられ、高度550キロメートル、傾斜角43度の低地球円軌道に到達しました。半年以上にわたる検証とテストを経て、2018年1月にInsight-HXMTが正式に運用開始されました。これは中国の科学者が星空を観察し宇宙を探索するための強力なツールとなり、また、世界で最も広いスペクトル測定範囲と最も強力な解像度を備えたX線変調望遠鏡にもなりました。

2019年6月30日現在、インサイトは銀河面を1,000回以上スキャンし、600を超えるX線源の長期的なフラックス変化を監視および発表しています。 60以上の様々なタイプのX線天体の定点観測を実施し、中性子星の磁場測定、ブラックホールの降着の準周期振動、中性子星の熱核爆発に関する硬X線観測研究において重要な進歩を遂げました。 170以上のガンマ線バーストを検出しました。パルサー航法軌道決定の精度は国際的に最高レベルに達しました。

2020年以来、Insight による多くの発見が世界を驚かせてきました。 2021年2月、インサイト-HXMT衛星は、FRB 200428と番号が付けられた高速電波バーストに関連するX線バーストが、天の川銀河内のSGR J1935+2154と番号が付けられたマグネターから来たものであることを確認し、X線バーストに含まれる2つのX線パルスが高速電波バーストの高エネルギー版であることを世界で初めて確認しました。 2022年8月、HXMT/Insightの科学チームは宇宙で最も強い磁場を直接検出しました。これは、NASAのロッシX線タイミングエクスプローラー（RXTE）がこれまで保持していた最強磁場測定の記録よりも約60％高いものです。

総合情報源：武漢大学、CCTVニュース、北京デジタル科学センター、科技日報、国家宇宙科学センターなど。