宇宙のほぼすべての大規模銀河の中心には、数百万から数十億倍の太陽質量を持つ超大質量ブラックホールが存在しています。ブラックホールは周囲の物質を飲み込みながら成長し続けますが、同時に強力なエネルギージェットを噴出し、これが周囲のガスを加熱し、新しい恒星の形成を遅らせ、銀河全体の進化に影響を与えます。この現象は長い間研究者を悩ませてきました。ブラックホールがジェットを噴出し、周囲のガスを遠くに吹き飛ばすと、消費すべき「燃料」も流失するはずなのに、なぜブラックホールは「食糧不足」にならず、成長し続けることができるのでしょうか？
研究がブラックホールと冷却ガスの関係を確認
この謎を解明するために、研究者たちは以前に一つの仮説を提唱しました。熱によって吹き飛ばされたガスが星間空間で徐々に冷却され、細長い糸状の構造に凝縮し、その後これらの糸状物質が再びブラックホールの近くに落ちてくるというものです。最近発表された研究は、この考えを検証するための重要な証拠を提供しました。モントリオール大学の教授ジュリー・ヘラヴァチェク＝ラロンデが率いる国際研究チームは、半人馬座銀河団の中心銀河NGC 4696を観測し、この種の糸状構造と中心のブラックホールとの関係を初めて直接証明しました。
NGC 4696は地球から約1.45億光年の距離にあり、これまで広く観測されてきました。その中心ブラックホールの周囲にはS字型の螺旋構造があります。今回の研究では、チームはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線スペクトロメーターを使用して、約8時間にわたってこの銀河の中心領域を連続観測し、直径約30光年の構造を識別するための解像度を得ました。直径30万光年の銀河をサッカー場の大きさに縮小した場合、この観測の解像度は50キロメートル離れた場所に置かれたビー玉を識別するのに相当します。
観測結果は、このS字型螺旋構造が実際にはブラックホールの周りを回転するガスディスクであることを示しています。このガスディスクの直径は約800光年で、ブラックホールの巨大な引力によって、ガスは毎秒数百キロメートルの速度で回転しています。研究チームは、ガスディスクの両側のエッジの速度差が約毎秒600キロメートルであることを測定しました。さらに重要なことに、観測は冷却されたガスから形成された糸状物質が直接ガスディスクのエッジに流入する様子を明確に示しており、ガスはこれらの糸状の通路を通って進み、ディスクに集まり、最終的にはブラックホールに「燃料」として供給されることが分かりました。この完全な経路が初めて直接可視化されました。
ブラックホールの自己維持サイクルが直接観測される
ヘラヴァチェク＝ラロンデは、「ウェッブ望遠鏡が明らかにしたのは、ブラックホールが宇宙の究極のリサイクラーである可能性があるということです。彼らは周囲の環境を加熱する大量のエネルギーを放出し、その後、これらのガスが冷却されて細い糸となり、再び内部に落ちてブラックホールを再び養うのです。私たちはついにこの自己維持のサイクルが機能しているのを目の当たりにしました。」と述べました。研究チームはまた、コンピュータシミュレーションを行い、その物理的メカニズムをさらに明らかにしました。
糸状のガスがブラックホールに向かって落ちると、引き伸ばされた磁場がロープのようにトルクを生じ、ガスの角運動量を消去し、ガスがディスクに落ち込むことを可能にします。シミュレーションは、落下する糸状物質を受け取るガスディスクが固定された空間の向きを保持しないことも示しています。糸状のガスが異なる方向から流入するため、ガスディスクの軸が揺れ、エネルギージェットの方向もそれに伴って偏移します。これにより、ジェットは銀河団の中心領域をより均等に加熱し、単一の方向に集中することなく、ガスが過度に冷却されるのを防ぎます。
研究者たちはまた、他の銀河団の中心銀河において、ブラックホールが生み出すエネルギージェットがより強力であれば、ジェットのエネルギーがあまりにも大きく、ガスディスクを形成できない可能性があることを指摘しています。その場合、周囲のガスは混沌とした状態に置かれます。言い換えれば、ブラックホールの活動強度の違いが周囲のガスの挙動パターンを根本的に変える可能性があるのです。今回発表された研究は、ウェッブ望遠鏡の観測データに基づく三部作の論文の第一作であり、温度約10000ケルビンの比較的温かいガスに焦点を当てています。残りの二つの論文は、他の温度のガスの挙動を分析するものが現在準備中です。
この発見は、ウェッブ望遠鏡の追加観測計画の承認や、世界中の複数の望遠鏡による協調観測の手配を促進しました。研究者たちは、他の銀河でも同様の宇宙リサイクルシステムが機能しているかどうかを確認するための証拠を急いで探しています。