科学者らがM87ブラックホールに隠されたエネルギー機構を発見
フランクフルトのゲーテ大学のアストロフィジシャンらが、新しい数値コードを用いて超大質量ブラックホールM87*がその巨大な粒子ジェットを駆動する方法をシミュレーションしました。彼らの発見は、伝統的なBlandford-Znajek機構に加えて、磁気再結合がブラックホールから回転エネルギーを抽出することを明らかにしています。この発見は、銀河の進化に影響を与える巨大なジェットを説明します。
超大質量ブラックホールM87*は、M87銀河の中心に位置し、質量は太陽質量の65億倍で、軸上で急速に回転しています。それは光速に近い速度で放出される粒子ジェットを駆動し、5,000光年にわたって延びています。このようなジェットは、宇宙全体にエネルギーと物質を分散させ、銀河を形成します。
フランクフルトのゲーテ大学でLuciano Rezzolla教授が率いるチームは、ブラックホール時空のためのフランクフルト粒子-in-cellコード（FPIC）を開発しました。このコードは、回転エネルギーを粒子ジェットに変換する過程を高精度でシミュレーションします。シミュレーションは、Blandford-Znajek機構—強力な磁場を通じてエネルギーを抽出する—に加えて、磁気再結合が重要な役割を果たすことを示しています。この過程では、磁場線が切断され再接続され、磁気エネルギーを熱、放射、プラズマ噴出に変換します。
FPICコードは、ブラックホールの重力下での荷電粒子と電磁場の進化をモデル化し、アインシュタインの一般相対性理論に基づくマクスウェル方程式と電子および陽電子の運動方程式を解きました。これらの計算には、フランクフルトの「Goethe」スーパーコンピューターとシュトゥットガルトの「Hawk」で数百万CPU時間が要りました。
ブラックホールの赤道面では、シミュレーションが激しい再結合活動を明らかにし、光速近くで移動するプラズモイド—エネルギッシュなプラズマ泡—の連鎖を形成します。これにより負のエネルギーを持つ粒子が発生し、ジェットと噴出を駆動します。
コードの主な開発者であるClaudio Meringolo博士は次のように述べました：「このようなプロセスをシミュレーションすることは、コンパクトオブジェクト近くの曲がった時空における相対論的プラズマの複雑なダイナミクスを理解する上で不可欠であり、極端な重力場と磁場との相互作用によって支配されます。」
Filippo Camilloni博士は付け加えました：「私たちの結果は、Blandford-Znajek機構がブラックホールから回転エネルギーを抽出する唯一の天体物理学的プロセスではないという魅力的な可能性を開き、磁気再結合も寄与することを示しています。」
Rezzolla教授は説明しました：「私たちの仕事により、回転ブラックホールからエネルギーを効率的に抽出してジェットに導く方法を実証できます。これにより、活動銀河核の極端な輝度や粒子を光速近くまで加速する現象を説明するのに役立ちます。」
この研究は歴史的な観測に基づいています：1781年、Charles MessierはM87を「星のない星雲」と記述し、そのジェットは1918年に発見されました。発見はThe Astrophysical Journal Letters（2025；992 (1): L8）に掲載されています。