1兆個の星よりも明るい閃光が超大質量ブラックホールの突破につながる

トゥルク大学 2023年6月9日

バイナリ ブラック ホール システムとしての OJ287 の芸術的なイラスト。 1 億 5,000 万太陽質量の二次ブラック ホールは、180 億太陽質量の一次ブラック ホールの周りを移動します。 ガスの円盤が後者を取り囲んでいます。 二次ブラックホールは、12 年の軌道の間に降着円盤に 2 回衝突することになります。 この衝突により青い閃光が発生し、これは 2022 年 2 月に検出されました。さらに、この衝突は、数週間前に二次ブラック ホールに明るい放射バーストを引き起こし、これらのバーストは二次ブラック ホールからの直接信号としても検出されました。 クレジット: AAS 2018

国際天文学者チームは、活動銀河OJ 287内で互いに周回する2つの超大質量ブラックホールのうちの2つ目を観察した。

Researchers have discovered two supermassive black holes orbiting each other in the galaxy OJ287. Predicted flares from the black holes were accurately observed, confirming the binary system hypothesis. For the first time, the secondary black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">black hole was directly observed in 2021/2022, and new types of flares were detected. These findings highlight OJ287 as a prime candidate for further study of gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">重力波。

活動銀河の中心には、太陽の数十億倍もの重さの超大質量ブラックホールが存在します。 天文学者らは、銀河の超大質量ブラックホールが降着円盤と呼ばれる激しい渦から物質を食い荒らす明るい銀河核として観察している。 物質の一部は強力なジェットとして絞り出されます。 このプロセスにより、銀河の核は電磁スペクトル全体にわたって明るく輝きます。

最近の研究で、天文学者らは、両方のブラックホールへの物質の降着に関連するジェットからの信号を通じて、2つの超大質量ブラックホールが互いに旋回している証拠を発見した。 この銀河、または専門的にはクエーサーと呼ばれるこの銀河は OJ287 と名付けられており、最も徹底的に研究されており、バイナリ ブラック ホール システムとして最もよく理解されています。 空では、ブラック ホールは 1 つの点に融合するほど互いに接近しています。 ドットが実際には 2 つのブラック ホールで構成されているという事実は、ドットが 2 つの異なる種類の信号を発していることを検出することで明らかになります。

活動銀河 OJ 287 は、かに座の方向に約 50 億光年の距離にあり、1888 年以来天文学者によって観測されています。すでに 40 年以上前に、トゥルク大学の天文学者アイモ シランパーとその仲間たちが発見しました。博士らは、その放出には顕著なパターンがあり、その周期は 2 つあり、1 つは約 12 年、もう 1 つは約 55 年であることに気づきました。 彼らは、この 2 つのサイクルが 2 つのブラック ホールが互いの周りを回る軌道運動から生じることを示唆しました。 短い周期は軌道周期であり、長い周期は軌道の向きのゆっくりとした進化から生じます。

軌道運動は、二次ブラックホールが光速よりも数分の一遅い速度で一次ブラックホールの降着円盤を規則的に突き抜けるときに発生する一連のフレアによって明らかになります。 この二次ブラック ホールの突入により円盤材料が加熱され、高温のガスが膨張する泡として放出されます。 これらの熱い泡は冷却するまでに何か月もかかり、放射して閃光 (フレア) を引き起こします。この閃光はおよそ 2 週間続き、1 兆個の星よりも明るいです。

二次ブラックホールが降着円盤に突入するタイミングを推定する数十年の努力の後、マウリ・ヴァルトネン率いるフィンランドのトゥルク大学の天文学者と、その共同研究者であるインド・ムンバイのタタ基礎研究所のアチャムヴィードゥ・ゴパクマルらは、彼らは軌道をモデル化し、これらのフレアがいつ発生するかを正確に予測することができました。

1983年、1994年、1995年、2005年、2007年、2015年、2019年の観測キャンペーンが成功したことで、研究チームは予測されたフレアを観測し、OJ 287に超大質量ブラックホールペアが存在することを確認することができた。

「予測されたフレアの総数は現在26個で、ほぼすべてが観測されています。このペアのより大きなブラックホールの重さは太陽の質量の180億倍以上ですが、伴星は約100倍軽く、その軌道は円形ではなく長方形です」とアチャムヴィードゥ・ゴパクマル教授は言う。

これらの努力にもかかわらず、天文学者たちは、より小さなブラックホールからの直接信号を観測することができませんでした。 2021 年以前は、その存在はフレアと、より大きなブラック ホールのジェットをぐらつかせる方法から間接的にのみ推定されていました。

「2つのブラックホールは空で互いに非常に近いため、別々に見ることはできません。望遠鏡の中でそれらは合体して一点に集まります。それぞれのブラックホールからの明確に別々の信号が見える場合にのみ、実際に観測したと言えるのです。」 「両方とも見た」と筆頭著者のマウリ・ヴァルトネン教授は言う。

興味深いことに、さまざまな種類の多数の望遠鏡を使用した OJ 287 の 2021/2022 年の観測キャンペーンにより、研究者は降着円盤を突き抜けて突入する二次ブラック ホールと、より小さなブラック ホールから生じる信号の観測を初めて得ることができました。自体。

「2021/2022年の期間は、OJ287の研究において特別な重要性を持っていました。以前、この期間中に二次ブラックホールがより重い伴星の降着円盤を突き抜けると予測されていました。この突入は、衝突直後に非常に青い閃光があり、チェコ工科大学とチェコ天文研究所のマルティン・イェリネク氏とその同僚らによって、予測時間から数日以内に実際に観測された」とマウリ・ヴァルトネン教授は語る。

しかし、これまで検出されていなかった新しいタイプのフレアという 2 つの大きな驚きがありました。 最初のものは、ポーランド、クラクフのヤゲウォ大学のスタシェク・ゾラ氏による詳細な観察活動によってのみ発見されましたが、それには十分な理由がありました。 ゾラと彼のチームは、銀河全体の100倍の光を生成する大きなフレアを観察しましたが、それはわずか1日しか続きませんでした。

「推定によると、フレアは、より小さいブラックホールが突入中に飲み込むための大量の新しいガスを受け取った直後に発生しました。飲み込むプロセスがOJ287の突然の増光につながります。このプロセスは、 「OJ 287の小さなブラックホールから噴出するジェットに力を与えました。このような出来事は10年前に予測されていましたが、現在まで確認されていません」とヴァルトーネン氏は説明する。

フェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、最高エネルギーの光を使って宇宙を観測し、ガンマ線バーストやブラックホール ジェットからパルサー、超新星残骸、宇宙に至るまで、宇宙の最も極端な現象を知るための重要な窓を提供します。宇宙線の起源。 クレジット: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

2 番目の予期せぬ信号はガンマ線から来ており、NASA のフェルミ望遠鏡によって観測されました。 OJ287 で 6 年間で最大のガンマ線フレアが発生したのは、ちょうど小さなブラック ホールが主ブラック ホールのガス円盤を突き抜けたときでした。 より小さいブラック ホールの噴流は円盤ガスと相互作用し、この相互作用によってガンマ線が生成されます。 この考えを確認するために、研究者らは、小さなブラックホールが前回ガス円盤を突き抜けた2013年に、同じ視線方向から見て、同様のガンマ線フレアがすでに起きていたことを検証した。

「それでは、1日バーストについてはどうでしょうか。なぜこれまで観察できなかったのでしょうか? OJ287は1888年から写真に記録され、1970年から集中的に追跡されています。結局のところ、私たちは単に不運に見舞われただけであることが分かりました。OJ287を正確に観察した人は誰もいませんでした」 「それは、一夜限りのスタントを行った夜でした。そして、ゾラのグループによる熱心な監視がなければ、今回も見逃していたでしょう」とヴァルトーネンは述べています。

これらの努力により、OJ 287 は、ナノヘルツの周波数で重力波を送信している超大質量ブラック ホールのペアの最良の候補となっています。 さらに、OJ 287 はイベント ホライゾン テレスコープ (EHT) とグローバル mm-VLBI アレイ (GMVA) コンソーシアムの両方によって定期的に監視されており、その中心に超大質量ブラック ホールのペアが存在するという追加の証拠を調査しています。セカンダリジェットの無線画像を取得してみます。

結果は、2023 年 6 月の英国王立天文学協会の月刊通知、第 521 巻、第 4 号、6143 ～ 6155 ページに掲載され、オンラインで公開されます。

参考文献：「OJ 287 2022 衝撃フレア到達時代の洗練」Mauri J Valtonen、Staszek Zola、A Gopakumar、Anne Lähteenmäki、Merja Tornikoski、Lankeswar Dey、Alok C Gupta、Tapio Pursimo、Emil Knudstrup、Jose L Gomez、Rene Hudec、マルティン・イェリネク、ヤン・シュトローブル、アンドレイ・V・ベルデュギン、ステファノ・チプリニ、ダニエル・E・ライヒャルト、ウラジミール・V・クプリアーノフ、松本桂、マレク・ドロズ、マルクス・ムグラウアー、アルベルト・サドゥン、ミハル・ゼイモ、アイモ・シランパー、ハリー・J・レート、カリ・ニルソン、今沢了、誠植村、2023 年 3 月 25 日、王立天文学協会の月次通知.DOI: 10.1093/mnras/stad922

The instruments that were part of the 2021-2022 campaign include NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA のフェルミ ガンマ線望遠鏡とスウィフト紫外線 X 線望遠鏡、チェコ共和国、フィンランド、ドイツ、スペイン、イタリア、日本、インド、中国、英国、米国の天文学者による光波長観測、および電波観測OJ287、アアルト大学、ヘルシンキ、フィンランド。