12 月 XNUMX 日、世界中の XNUMX つの同時記者会見で、天体物理学者は 最初の画像を公開しました 天の川銀河の中心にあるブラックホール。 最初は素晴らしいものでしたが、私たちの銀河系の中央の闇の穴の周りの光の輪の苦労して作成された画像は、専門家がすでに予想していたことを証明するだけのように見えました:天の川の超大質量ブラックホールが存在し、回転しており、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論。
それでも、よく調べてみると、物事はまったく積み重なっていません。
研究者たちは、光のベーグルの明るさから、 どのくらい速く 物質は射手座 A* (天の川銀河の中心にあるブラック ホールに付けられた名前) に落ちています。 答えは、まったく速くないということです。 「それは少しの細流まで詰まっています」と言いました プリヤ・ナタラジャンイェール大学の宇宙学者は、銀河を壊れたシャワーヘッドと比較しています。 どういうわけか、それは問題の千分の一にすぎません 天の川に流れ込む 周囲の銀河間媒体から、ずっと下に落ちて穴に落ちます。 「それは大きな問題を明らかにしています」とナタラジャンは言いました。 「このガスはどこへ行くの？ フローに何が起こっているのですか？ ブラックホールの成長に対する私たちの理解が疑わしいことは明らかです。」
過去四半世紀にわたって、天体物理学者は、多くの銀河とその中心にあるブラック ホールとの間に緊密で動的な関係が存在することを認識するようになりました。 「この分野では本当に大きな変化がありました」と言う ラメシュ・ナラヤン、ハーバード大学の理論天体物理学者。 「驚いたことに、ブラック ホールは、銀河の進化を形成し、制御する役割を果たしています。」
これらの巨大な穴 - 物質が非常に密集しているため、重力によって光さえ逃げることができない - は、銀河のエンジンのようなものですが、研究者はそれらがどのように機能するかを理解し始めたばかりです. 重力は塵とガスを銀河中心に引き込み、超大質量ブラックホールの周りに渦巻く降着円盤を形成し、加熱して白熱プラズマに変えます。 次に、ブラック ホールがこの物質を飲み込むと (少しずつ、または突然のバーストで)、フィードバック プロセスでエネルギーが銀河に放出されます。 「ブラックホールを成長させると、自然界で知られている他のどのプロセスよりも効率的にエネルギーを生成し、周囲に放出しています。」 エリオット・クアタート、プリンストン大学の理論天体物理学者。 このフィードバックは、銀河全体の星形成率とガスの流れのパターンに影響を与えます。
しかし、研究者たちは、超大質量ブラック ホールの「活動」エピソード、つまり活動銀河核 (AGN) への変化について漠然とした考えしか持っていません。 「発動メカニズムは？ オフスイッチとは？ これらは、私たちがまだ解決しようとしている根本的な問題です」と述べました。 カーステン・ホール ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの。
恒星が超新星として爆発するときに発生する恒星フィードバックは、より小規模な AGN フィードバックと同様の効果を持つことが知られています。 これらの恒星エンジンは、小さな「矮小」銀河を制御するのに十分な大きさを簡単に実現できますが、最大の「楕円」銀河の進化を支配できるのは、超大質量ブラック ホールの巨大なエンジンだけです。
サイズ的には、典型的な渦巻銀河である天の川が真ん中に位置しています。 私たちの銀河系は、その中心に明確な活動の兆候がほとんどないため、恒星のフィードバックによって支配されていると長い間考えられていました。 しかし、最近のいくつかの観測結果は、AGN フィードバックもそれを形作っていることを示唆しています。 私たちの故郷の銀河におけるこれらのフィードバック メカニズム間の相互作用の詳細を研究し、射手座 A* の現在の暗さのようなパズルに取り組むことで、天体物理学者は銀河とブラック ホールが一般的にどのように共進化するかを解明したいと考えています。 天の川は「最も強力な天体物理学研究所になりつつあります」とナタラジャンは言いました。 小宇宙として機能することで、「鍵を握るかもしれない」。
銀河エンジン
1990 年代後半までに、天文学者は一般に、銀河の中心にブラック ホールが存在することを認めました。 それまでに、彼らはこれらの目に見えない物体を十分に近くで見ることができ、周囲の星の動きからその質量を推測することができました. あ 奇妙な相関関係が現れた: 銀河の質量が大きいほど、中心のブラック ホールは重くなります。 「これは特にタイトで、完全に革新的でした。 どういうわけか、ブラックホールは銀河と話している」 ティツィアナ・ディ・マッテオ、カーネギーメロン大学の天体物理学者。
ブラック ホールは大きいのですが、銀河のサイズに比べてごくわずかであることを考えると、この相関関係は驚くべきものです。 (たとえば、射手座 A* の重さは太陽の約 4 万倍であるのに対し、天の川銀河の質量は約 1.5 兆個です。) このため、ブラック ホールの重力は、銀河の最も内側の領域を強く引っ張るだけです。
英国王室の天文学者であるマーティン リース氏にとって、AGN のフィードバックは、比較的小さなブラック ホールを銀河全体に結び付ける自然な方法を提供してくれました。 その 1970 年前の XNUMX 年代に、リースは超大質量ブラック ホールがあるという仮説を正しく立てました。 光るジェットに動力を与える クエーサーと呼ばれる、遠く離れた明るく輝く銀河で観測されています。 彼も 提案された、ドナルド・リンデン・ベルとともに、ブラックホールが天の川の中心が輝く理由を説明するだろう. これらはどこにでもある超大質量ブラック ホールのサイズを支配する一般的な現象の兆候でしょうか?
ブラックホールが飲み込む物質が多いほど明るくなり、増加したエネルギーと運動量がガスを外側に吹き飛ばすという考えでした。 最終的に、外向きの圧力により、ガスがブラックホールに落ちるのが止まります。 「それでは成長が止まります。 手を振る方法では、それが理由でした」とリースは言いました. または、ディ マッテオの言葉を借りれば、「ブラック ホールは食べてから飲み込む」のです。 非常に大きな銀河は、中心のブラック ホールにより多くの重さを与え、外側にガスを吹き出すのを難しくします。そのため、ブラック ホールは飲み込む前に大きくなります。
しかし、落下する物質のエネルギーがそのような劇的な方法で放出される可能性があると確信していた天体物理学者はほとんどいませんでした。 「私が論文を書いていたとき、私たちは皆、ブラック ホールが引き返せない点として取りつかれていました。ただガスが入ってくるだけです」と、Rees の大学院生として最初の AGN フィードバック モデルの開発を手伝った Natarajan は言いました。 「非常に急進的だったので、誰もが非常に慎重かつ慎重に行わなければなりませんでした。」
フィードバックのアイデアの確認は、ディ・マッテオと天体物理学者によって開発されたコンピューターシミュレーションから、数年後に行われました。 フォルカー・シュプリンゲル および ラース・ヘルンキスト. 「私たちは、現実の宇宙で見られる驚くべき銀河の動物園を再現したかったのです」と、ディ マッテオは言いました。 彼らは基本的な状況を知っていました。初期の宇宙では、銀河は小さくて密集しています。 時計を進めると、重力がこれらの小人を見事な合体の炎のように砕き、輪、渦、葉巻、およびその間のあらゆる形を形成します。 銀河は、十分な衝突の後、大きく滑らかになるまで、サイズと多様性を増していきます。 「それは塊になってしまいます」とディ・マッテオは言いました。 シミュレーションでは、彼女と彼女の同僚は、渦巻銀河を何度も合体させることで、楕円銀河と呼ばれるこれらの大きな特徴のない塊を再現することができました。 しかし、問題がありました。
天の川のような渦巻銀河には青く光る若い星がたくさんありますが、巨大な楕円銀河には赤く光る非常に古い星しか含まれていません。 ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク天体物理学研究所のシュプリンゲル氏は、「彼らは赤くて死んでいる」と語った。 しかし、チームがシミュレーションを実行するたびに、青く光る楕円形が吐き出されました。 星の形成を止めていたものは何であれ、彼らのコンピューターモデルには取り込まれていなかった.
その後、Springel は次のように述べています。 圧力鍋の鍋のように、全体がバラバラになるまで、これらのブラックホールにガスを飲み込ませ、エネルギーを放出させます。 突然、楕円銀河は星の形成を停止し、赤く死んでしまいます。」
「あごが落ちた」と彼は付け加えた。 「[効果]がこれほど極端になるとは予想していませんでした」
真っ赤な楕円形を再現することで、シミュレーションはリースとナタラジャンのブラックホールフィードバック理論を強化しました。 ブラック ホールは、比較的小さいサイズにもかかわらず、フィードバックを通じて銀河全体と対話できます。 過去 XNUMX 年間で、コンピューター モデルは洗練され拡張され、宇宙の大規模な帯をシミュレートしてきました。それらは、私たちの周りに見られる折衷的な銀河の動物園とほぼ一致しています。 これらのシミュレーションはまた、ブラックホールから放出されたエネルギーが銀河の間の空間を熱いガスで満たしていることを示しています。 「人々は、超大質量ブラックホールが非常にもっともらしいエンジンであると今では確信しています」とシュプリンゲルは言いました。 「ブラックホールなしで成功したモデルを思いついた人は誰もいません。」
フィードバックの謎
それでも、コンピュータによるシミュレーションは驚くほど鈍い。
物質がブラック ホールの周りの降着円盤に向かって内側に忍び寄ると、摩擦によってエネルギーが押し戻されます。 この方法で失われるエネルギーの量は、コーダーが試行錯誤を繰り返しながら手作業でシミュレーションに投入したものです。 これは、詳細がまだわかりにくいことを示しています。 「場合によっては、間違った理由で正しい答えが得られる可能性があります」と Quataert 氏は言います。 「ブラックホールがどのように成長し、どのようにエネルギーを周囲に放出するかについて、実際に最も重要なことは何かを捉えていないのかもしれません。」
真実は、天体物理学者は AGN フィードバックがどのように機能するかを本当に知らないということです。 「私たちはそれがどれほど重要かを知っています。 しかし、このフィードバックの原因は正確にはわかりません」と、ディ マッテオ氏は述べています。 「最も重要な問題は、私たちがフィードバックを物理的に深く理解していないことです。」
彼らは、一部のエネルギーが放射線として放出され、活動銀河の中心に特徴的な明るい輝きを与えていることを知っています。 強い磁場は、拡散銀河風または強力な狭いジェットのいずれかとして、降着円盤からも物質を飛ばします。 ブラックホールがジェットを放出すると考えられているメカニズムは、 Blandford-Znajek プロセス、1970年代に特定されましたが、ビームのパワーを決定するものと、そのエネルギーのどれだけが銀河に吸収されるかは、「まだ解決されていない未解決の問題です」とナラヤンは言いました. 降着円盤から球状に発せられる銀河風は、狭いジェットよりも銀河とより直接的に相互作用する傾向があり、さらに神秘的です。 「何十億ドルもかかる問題は、エネルギーがガスにどのように結合しているかということです。」 シュプリンゲルは言った。
まだ問題があることを示す XNUMX つの兆候は、最先端の宇宙論的シミュレーションのブラック ホールが最終的に終わることです。 より小さい 一部のシステムで観測された実際の超大質量ブラック ホールのサイズよりも大きい。 星の形成を止めて赤く死んだ銀河を作るために、シミュレーションではブラックホールが非常に多くのエネルギーを放出する必要があり、ブラックホールが成長を止めるように物質の内向きの流れを遮断します。 「シミュレーションのフィードバックはあまりにも積極的です。 それは成長を時期尚早に妨げます」とナタラジャンは言いました。
天の川銀河は逆の問題の例です。通常、シミュレーションでは、このサイズの銀河には射手座 A* の 10 倍から XNUMX 倍の大きさのブラック ホールが存在するはずであると予測されています。
天の川銀河と近くの銀河を詳しく調べることで、研究者たちは、AGN フィードバックがどのように機能するかを正確に解明し始めることができると期待しています。
天の川の生態系
2020 年 XNUMX 月、eROSITA X 線望遠鏡を使用する研究者は、 一対の泡を見つけた 天の川の上下に何万光年も広がっています。 X 線の巨大な泡は、10 年前にフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡が銀河から発しているのを検出したガンマ線の泡と同じように不可解でした。
フェルミ バブルの起源に関する XNUMX つの理論は、依然として熱く議論されていました。 一部の天体物理学者は、それらが数百万年前に射手座 A* から飛び出したジェットの遺物であると示唆しました。 泡は、銀河の中心近くで爆発する多くの星のエネルギーが蓄積されたものであり、星のフィードバックの一種であると考える人もいます。
日時 シアン・イー・カレン・ヤン 台湾の国立清華大学の博士は、eROSITA X 線バブルの画像を見て、「飛び跳ね始めました」。 両方が同じ AGN ジェットによって生成された場合、X 線がガンマ線と共通の起源を持つ可能性があることはヤンにとって明らかでした。 (X線は、ジェット自体からではなく、天の川の衝撃を受けたガスから来るでしょう。) エレン・ツヴァイベル および マテウシュ・ルスコフスキ、彼女はコンピューターモデルの構築に着手しました。 結果、 に発表され 自然天体物理学 この春、観測された気泡の形状と明るい衝撃前線を再現するだけでなく、気泡が 2.6 万年かけて形成されたと予測しています (100,000 万年間活動していたジェットから外側に拡大しています)。恒星のフィードバックによって説明されます。
この発見は、AGN フィードバックが、天の川銀河のような平凡な円盤銀河では、研究者が考えていたよりもはるかに重要である可能性があることを示唆しています。 出現しつつある状況は生態系の状況に似ている、とヤン氏は述べた。そこでは、AGN と恒星のフィードバックが、銀河を取り囲む拡散した高温ガスと絡み合っており、銀河周媒質と呼ばれている。 さまざまな銀河の種類とさまざまな時期に、さまざまな効果と流れのパターンが支配的になります。
天の川の過去と現在の事例研究は、これらのプロセスの相互作用を明らかにする可能性があります。 たとえば、ヨーロッパのガイア宇宙望遠鏡は、天の川の何百万もの星の正確な位置と動きをマッピングしており、天体物理学者が小さな銀河との合体の歴史をたどることができます。 このような合体イベントは、超大質量ブラック ホールに物質を振り込むことで活性化し、突然明るくなり、ジェットを発射することさえあるという仮説が立てられています。 「この分野では、合併が重要かどうかについて大きな議論があります」と Quataert 氏は述べています。 ガイア星のデータ 提案する フェルミ バブルと eROSITA バブルが形成された時点で天の川銀河は合体しなかったため、AGN ジェットのトリガーとしての合体は好まれませんでした。
あるいは、ガスの塊がたまたまブラックホールと衝突し、それを活性化するかもしれません。 それは、食べること、ジェットや銀河風としてエネルギーを吐き出すこと、一時停止することの間で無秩序に切り替わるかもしれません。
イベント・ホライズン・テレスコープによる射手座 A* の最近の画像は、その現在の落下物質の細流を明らかにしており、解決すべき新しいパズルを提示しています。 天体物理学者は、銀河に引き込まれたすべてのガスがブラック ホールの地平線にたどり着くわけではないことをすでに知っていました。これは、銀河風がこの降着の流れに逆らって外側に押し出されるためです。 しかし、このように極端に先細りになった流れを説明するのに必要な風の強さは非現実的です。 「シミュレーションを行っても、巨大な風は見られません」と Narayan 氏は言います。 「何が起こっているのかを完全に説明するのに必要な風ではありません。」
ネストされたシミュレーション
銀河がどのように機能するかを理解する上での課題の XNUMX つは、星やブラック ホールで作用する長さスケールと、銀河全体とその周囲のスケールとの間の大きな違いです。 コンピューターで物理プロセスをシミュレートする場合、研究者はスケールを選択し、そのスケールに関連する効果を含めます。 しかし、銀河では、大小の効果が相互作用します。
「ブラック ホールは、大きな銀河に比べて本当に小さく、XNUMX 回の膨大なシミュレーションにすべてを入れることはできません」と Narayan 氏は述べています。 「各政権は相手からの情報を必要としていますが、関係を築く方法を知りません。」
このギャップを埋めようとするために、Narayan、Natarajan、および同僚は、ネストされたシミュレーションを使用して、天の川と近くの活銀河メシエ 87 をガスがどのように流れるかの一貫したモデルを構築するプロジェクトを立ち上げています。銀河がブラック ホールに何をすべきかを伝えてから、ブラック ホールからの情報が戻って銀河に何をすべきかを伝えます」とナラヤン氏は述べています。 「ぐるぐるぐるぐる回るループです。」
シミュレーションは、銀河内および銀河周辺の拡散ガスの流れパターンを明らかにするのに役立つはずです。 (ジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡による銀河周縁物質のさらなる観測も役立つでしょう。) 「これは、この生態系全体の重要な部分です」と、Quataert 氏は述べています。 「どうやってガスをブラックホールに落として、すべてのエネルギーを追い出しますか?」
重要なことは、新しいスキームでは、異なるスケールのシミュレーション間のすべての入力と出力が一貫していなければならず、微調整するダイヤルが少なくて済むということです。 「シミュレーションが適切に設定されていれば、ブラック ホールに到達するガスの量を首尾一貫して決定します」と Narayan 氏は述べています。 「私たちはそれを調べて尋ねることができます:なぜそれはすべてのガスを食べなかったのですか? なぜそんなにうるさく、利用可能なガスをほとんど消費しなかったのですか?」 このグループは、進化のさまざまな段階で銀河の一連のスナップショットを作成したいと考えています。
今のところ、これらの銀河の生態系についての多くはまだ予感です。 「人々がこれらの重なり合うシナリオについて考え始めているのは、本当に新しい時代です」とヤンは言いました。 「明確な答えはありませんが、数年以内に答えられることを願っています。」
編集者注: Priya Natarajan は現在、Quanta の科学諮問委員会のメンバーです。
