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ニュースリリース

「ニュータイプ」巨大ブラックホールの発見
−高エネルギーX線で暴く隠れたブラックホールの謎−

2007年7月30日


  上田 佳宏理学研究科准教授らの研究グループは、愛媛大、NASAと共同で「ニュータイプ」巨大ブラックホールを世界で初めて発見しました。
 なお、この研究成果は「アストロフィジカル・ジャーナル・レター」誌の8月1日号に掲載されます。



研究概要

 NASAのスウィフト衛星は、透過力のきわめて強い「硬X線」(10キロ電子ボルト以上のエネルギーをもつX線)を用い、かつてない高感度で宇宙の全天マップを作成しつつある。われわれ京大・愛媛大・NASAの国際共同チームは、最近スウィフトによって新しく見つかった2つの硬X線源を、日本のX線天文衛星「すざく」で精密に観測した。その結果、(1) これらの硬X線が、近傍にある「一見、ふつうに見える銀河」の中心から来ていること、(2) その正体が、大量の物質に埋もれていて光がほとんど外に洩れていない、今までに知られていなかった「ニュータイプ」巨大ブラックホールであることを世界で初めて明らかにした。この発見は、今までに見逃されていた「完全に隠された」明るいブラックホールが宇宙に多量に潜んでいる可能性を示唆し、宇宙の進化の理解にインパクトを与えるものである。

本研究の解説と意義
 宇宙に存在する銀河の少なくとも1%は、中心核から電波〜X線にわたる広い波長範囲で太陽の100億倍100兆倍もの莫大なエネルギーを放射しています。これらは「活動銀河核」と呼ばれます。その正体は太陽の100万倍から10億倍の質量をもつ巨大ブラックホールで、そこに周囲の物質が落ち込むと強い重力によってガスが高温に熱せられ明るく輝きます。最近の研究により、活動銀河核は銀河の星の形成過程と密接に関わっており、宇宙の進化に本質的な役割を果たしていることが分かってきました。
 このような巨大ブラックホールが宇宙にいくつ存在するか?という基本問題に答えるべく、天文学者はこれまで様々な方法で活動銀河核を探査してきました。その多くは、可視光や紫外線を用いたものでした。標準的なモデルによると、巨大ブラックホールは「トーラス」と呼ばれる、ドーナツの形状をした物質に囲まれていると考えられています。見る角度によっては、ブラックホールがトーラスに隠され、中心からの可視光が見えない場合もあります(「2型活動銀河核」とよばれます)。幸い、そのような場合も、トーラスのすき間(ドーナツの穴)から洩れる光が多量に存在し、照らされたガスから強い輝線(特定の元素から放射される波長の揃った光)が発せられるため、原理的にブラックホールを見つけることが可能であると考えられてきました。
 X線観測は、直接的にブラックホールを探す有力な方法です。じっさい日本の「あすか」、NASAの「チャンドラ」を始めとするX線天文衛星は、これまでに多くの2型活動銀河核を発見してきました。しかし技術的困難さから、これまでに行なわれてきたX線探査のほとんどは10キロ電子ボルト以下のエネルギー範囲に限られていました。視線方向をさえぎる物質の量が多くなると、エネルギーの低いX線は完全に吸収されてしまい、ブラックホールを直接、見通すことができなくなります。このような、深く隠されたブラックホールがどれだけ宇宙にあるかということは、ほとんど分かっていません。これらを見つけるには、透過力の非常に強い、10キロ電子ボルト以上のX線(硬X線)を用いることが本質的に重要です。
 そこで我々の注目したのが、2年前に打ち上げられたNASAの「スウィフト」衛星です。15‐200キロ電子ボルトのエネルギー領域で優れた感度を持つ「スウィフト」は、現在、過去最高の感度で硬X線の全天マップを作成しつつあり、次々と新しい天体を見つけ出しています。

 図1: ESO 005-G004の周辺の可視光画像(STScI Digitized Sky Survey 提供)に、「すざく」搭載X線CCDカメラで得られた画像の等高線(緑)を重ねたもの(このCCDカメラは10キロ電子ボルト以下のエネルギーのX線に感度をもちます。 X線像の広がりは望遠鏡による見かけ上のもので、じっさいは点源だと考えられます)。四角の1辺の長さは、この銀河の距離でおよそ17万光年に相当します。 (等高線なしの図

 我々は「スウィフト」により見つかった新しい硬X線源の正体を明らかにするべく、2 つの天体を日本のX線衛星「すざく」で詳細に観測しました。図1はその一つについて、「すざく」のX線CCDカメラで撮られたX線の画像(緑の等高線)と、可視光画像を重ね書きしたものです。この結果、硬X線の起源が、一見、可視光で見ると活動的でない「ふつうの銀河」の中心から来ていることが確認されました。2つの銀河はESO 005‐G004、ESO 297-G018 という名前で、それぞれ「はちぶんぎ(八分儀)」座、「ほうおう(鳳凰)」座の方向、地球から約8千万光年、3億5千万光年の距離にあります。
 これらの新天体が、今までに知られていたものと同種かどうかを検証するためには、硬X線だけでなくエネルギーの低いX線も用いてブラックホールの周囲の構造を探る必要があります。「すざく」は、0.2から70キロ電子ボルトという広いエネルギー範囲において高精度のデータを同時に取得することができるというユニークな特徴を持ちます。図2にそのスペクトル(X線の強度をエネルギーごとに示したもの)を示します。10キロ電子ボルト以上の硬X線の強度がきわだって強いことが分かります。それに対し、低エネルギー側ではX線強度はずっと弱く、このために過去の観測で見逃されていたと理解できます。

図2: 「すざく」で取得したESO 005-G004のX線エネルギースペクトル

 データを詳しく解析したところ、透過力の強い硬X線では、ブラックホール近辺からの直接光が大量の物質をくぐり抜けて我々に届いていることが分かりました。それに対し、10キロ電子ボルト以下の直接光は強く吸収されていて、壁にあたって反射された一部のX線だけが主に見えています。最も重要な結果は、トーラスから外に洩れ出し散乱された2キロ電子ボルト以下のX線が極端に少ない、という点です。この特徴は今までに知られていた活動銀河核にはなかったもので、これらが大量の物質に深く埋もれた「ニュータイプ」巨大ブラックホールであることを強く示唆しています。
 図3にESO 005-G004 の中心核の想像図を示します。高いトーラスの壁に囲まれて、ブラックホールから見てほとんどの方向が遮られているため、中心から洩れ出しているX線や可視光の量は非常に少ないと考えられます。じっさい我々は、南アフリカ天文台で可視光の観測を行ない、トーラスの外から来ている輝線が極めて弱いことを確かめました。

 図3: ESO 005--G004の中心核にある巨大ブラックホール周囲の想像図(JAXA 提供)。

(*)図3の「商業誌」への転載の際は、お手数ですが御連絡願います。

 「すざく」と「スウィフト」の連携による、この「ニュータイプ」ブラックホールの発見は、未だに見つかっていない、大量の物質によって覆い隠された活動銀河核が宇宙に多量に存在する可能性を強く示唆し、巨大ブラックホールおよび銀河の進化を考える上でインパクトを与えるものです。
 今回の成果は、10キロ電子ボルト以上の硬X線での観測が隠れたブラックホールを探査する上でいかに強力かということを証明しています。宇宙に存在する全ブラックホールからの放出エネルギーは、「硬X線背景放射」として10-100キロ電子ボルトの範囲に集中していることがわかっており、本研究は、今後この分野を切り開いて行く先鞭をつけたといえます。日本で検討中の次期X線天文衛星NeXT(ネクスト)は、「スウィフト」衛星のおよそ100倍以上の感度での硬X線観測を行なうことができる計画で、巨大ブラックホールの進化の謎の解明に向けて大きな進展をもたらすと、世界中から期待されています。

研究チーム
 上田佳宏(うえだよしひろ) 京都大学大学院理学研究科 准教授
 江口智士(えぐちさとし) 京都大学大学院理学研究科 大学院生
 寺島雄一(てらしまゆういち) 愛媛大学大学院理工学研究科 准教授
 Richard Mushotzky (リチャード・ムショツキー) 米航空宇宙局ゴダード宇宙飛行センター研究員
 Jack Tueller (ジャック・トゥエラー) 米航空宇宙局ゴダード宇宙飛行センター研究員
 Craig Markwardt (クレイグ・マークワート) 米航空宇宙局ゴダード宇宙飛行センター研究員
 Neil Gehrels (ニール・ゲーレルズ) 米航空宇宙局ゴダード宇宙飛行センター研究員
 橋本康弘(はしもとやすひろ) 南アフリカ天文台研究員
 Potter Stephen (ポッター・シュテフェン) 南アフリカ天文台研究員


 NHKで放送されました。

 朝日新聞(7月31日 36面)、京都新聞(7月31日 30面)、中日新聞(7月31日 3面)、日本経済新聞(7月31日 38面)、毎日新聞(7月31日 3面)及び読売新聞(7月31日 39面)に掲載されました。