• 超大型望遠鏡で可視光線を高速撮影、衛星で同時観測したX線の変化と比較
• 一見すると無秩序な変動の中に、規則的な光とX線のパターンを発見
• 放射の速い変動が磁場により駆動されている可能性を示唆

1.	背景
	ブラックホールにガスが吸い込まれる際、強いX線が放射されます。すでに1970年代から知られていたように、そのX線は、揺れたり、不規則に飛んだり、キラキラ輝いたり、ロウソクの炎のようにゆらゆらと変動して、決して安定することがありません。研究グループは今回、2つのブラックホールからの放射の明滅を新たに観測し、これらブラックホール中心部の巨大なエネルギーの流れに関する理論を検討しました。

2.

研究手法

ブラックホールから放たれる電磁放射の速い強度変動は、これまで主にX線を用いて研究されてきました。今回の研究では、可視光の速い変動も観測し、それがX線の変化とどう関連するかを研究しました。 　研究グループは、南天にある2つのブラックホール天体の出す信号を、2つの異なった装置でまったく同時に追跡観測しました。可視光線は、チリにある欧州南天天文台（European Southern Observatory） の超大型望遠鏡（Very Large Telescope, VLT） に搭載された新規高速カメラULTRACAMを使って、毎秒最大20枚の画像を撮影しました（図1）。この撮像速度は、これまで大型望遠鏡を駆使して行ってきたブラックホールの観測速度としては、最も速いものの1つとなります。またX線データは、NASAのX線衛星Rossi X-ray Timing Explorerが取得したものを用いました。

3.

研究成果

観測の結果、可視光の明るさはX線の強度よりも短時間（例えば0.05秒ぐらい） で変動すること発見しました。さらに、可視光の変化とX線の変化はまったく同一でもまったく別々でもなく、連動しつつそれぞれ特徴的なパターンを繰り返すことを発見しました。可視光は、X線が強くなる直前に暗くなり、その後、瞬間的に増光し、それからまた急激に弱くなる、というパターンを示しました（図2）。 　これらの可視光やX線は、ブラックホールから直接に放射されるわけではありません。ブラックホールに激しく吸い込まれるガスは、重力のため数千万度という高温の電離気体や、より高いエネルギーをもった粒子の集団となり、そこからX線や可視光が放射されるのです。ブラックホール周辺では、重力、磁気力、放射の圧力などが競合するため、この電離気体の流れの様子は、激しく変化しています。その結果、そこからの放射の明るさも、一見するとまったく無秩序に変動して見えます。しかし、今回の研究では、可視光の変動とX線の変動を詳しく比較することにより、それらの変動の中に安定したパターンが内在することが明らかになりました。この安定した構造は、乱雑に見える放射線の変化が、実は基本的な物理過程で支配されていることを示唆するものです。 　これまで、ブラックホール周辺からの可視光の放射は、X線が周囲の気体を照らすことで発生する副産物である、と広く考えられてきました。しかし、その場合には、可視光の変動はX線の変動より遅れるはずで、X線のピークから可視光のピークまで、もっと長い時間がかかるはずです。すなわち今回の観測は、今まで考えられてきた“光学発光は2次効果”という仮説がまったく当てはまらないことを示しました。どうやらX線と可視光線の強度変化は、ブラックホールに非常に近いところに存在する、1つの共通した物理プロセスに起因するもののようです。 　放射の変化を支配する物理プロセスの最も有力な候補として、強磁場電離気体の中で作られる強い磁場が挙げられます。これらの強磁場は、ブラックホールに吸い込まれる巨大なエネルギーの流れを、一時的に蓄える貯水池の役割を果たしているようです。貯水池が満杯になると磁場のエネルギーが一挙に解放され、気体を加熱するとともに、電子や陽子をさらに高いエネルギーにまで加速します。加熱され数億度になった気体からはX線が、また加速された電子からはシンクロトロン放射として可視光が、それぞれ発生すると考えられます。

<補足説明>

※1	国際チーム
	理研と、英国のシェフィールド大学、ケンブリッジ大学、ワーウィック大学、スペインのカナリア諸島天文台、米国のミシガン大学、ドイツのマックスプランク天文物理学研究所の7機関からなる共同研究チーム。
※2	2つのブラックホール
	GX 339-4 および SWIFT J1753.5-0127は、共に銀河系の大質量星が死後に残したブラックホールである。どちらのブラックホールも通常の星と連星をなし、互いの共通の重心の周りを公転している。ブラックホールの強烈な重力により、星からガスがはぎ取られ、ブラックホールに吸い込まれる。これらのブラックホールは、私たちの太陽の約10倍の質量があるにもかかわらず、その公転軌道は、太陽系の水星の軌道よりもずっと小さく、わずか数100万キロに過ぎない。

図1　10秒という発光の間に撮影されたブラックホールGX 339-4の画像例 (リアルタイムVLT明滅データ)

この動画は、ULTRACAMによる実写データで、毎秒20枚という高スピードで撮影された。左の映像では、可視光の強度（グラフ）がピークに達するとき、それに対応して、非常に狭い領域が瞬間的に明るくなることがわかる。もうひとつのブラックホール、Swift J1753.5-0127のデータは示されていないが、やはり急速な変動が観測された。

図2　可視光線およびX線 変動パターン

1秒より速い時間分解能で観測したGX 339-4の可視光とX線の強度変動パターン。グラフ中、時間は左から右に推移している。X線の発光（青い線）は、単純で幅広いピークを形作り、数秒にわたるなだらかな下降を示している。しかし、驚くべきことに、可視光線（赤い線）は、X線がピークを示した直後（0.15秒後）に非常に速い閃光を放ち、わずかな間に下降している。これは、可視光の閃光がX線に比べ、わずかな間しか続かないことを示す。こうした一連の現象は、何時間にもわたる観測の期間中に繰り返し認められ、図はそれら多数を重ねたものである。

<参考資料>

この研究は、以下の2つの研究論文で発表されました：

Rapid optical and X-ray timing observations of GX 339-4: flux correlations at the onset of a low/hard state
P. Gandhi, K. Makishima, M. Durant, A.C. Fabian, V.S. Dhillon, T.R. Marsh, J.M. Miller, T. Shahbaz & H.C. Spruit
Monthly Notices of the Roy. Astron. Soc. Letters, in press (2008), astro-ph/0807.1529

SWIFT J1753.5-0127: a surprising optical/X-ray cross-correlation function M. Durant, P. Gandhi, T. Shahbaz, A. Fabian, J. Miller, V.S. Dhillon & T.R. Marsh The Astrophysical Journal 682, L45 (2008), astro-ph/0806.2530