本文根據京都大學成果發佈編譯而成
以日本京都大學白眉中心、理學研究科的水本岬希特定助教爲中心組成的國際研究團隊，透過X射線類比觀測定量再現了實際觀測到的黑洞吹出的「風」的情形，並全球首次證明，這種風是在黑洞周圍產生的紫外線的作用力下生成的。今後有望利用日本預定2022年度發射的XRISM人造衛星，比以往更清晰地捕捉黑洞風的樣子。
研究示意圖
1．背景
宇宙中有很多星系，其中心都有黑洞存在。這種黑洞的質量非常大，約爲太陽的數百萬至數十億倍，被稱爲「超巨型黑洞」。在黑洞的強大重力的作用下，周圍的氣體也基本上都會被吸入黑洞，在此程序中，會形成名爲「吸積盤」的構造。隨着吸積盤内的氣體的位置能量被轉換成發光能量，超巨型黑洞的周圍會明亮地發光。這樣的區域位於星系中心的活躍位置，因此被稱爲活動星系核。
前面說過，黑洞周圍的氣體基本上都會落入黑洞，但研究發現，也有一些氣體沒有落入黑洞，而是被吹向了從黑洞逃逸的方向，就像從黑洞中吹出來的風一樣。從本應是強大的重力源的黑洞卻向外吹風，看上去是一種非常不可思議的現象。利用X射線觀測活動星系核時，光譜（強度分佈取決於X射線的能量）上會出現吸收線，由此可以觀測這種「風」。研究發現，吸收線出現的位置與原位置偏差地越遠，「風」的速度就越快（圖1）。不過，關於這種「風」是如何吹出來的，其加速機制一直存在很多不明之處。作爲主要理論模式，以前提出過氣體利用來自吸積盤的光的作用力加速的理論，以及利用吸積盤的磁力加速的理論，但一直不清楚這兩種理論能多大程度再現觀測結果。
圖1：利用XMM-牛頓人造衛星獲得的活動星系核PG 1211+143的X射線光譜。本來應該在藍色虛線的位置形成吸收線，但實際形成位置（藍色箭頭）遠遠偏差了該位置。這種偏差是光的都卜勒效應引起的，意味着形成吸收線的氣體被高速吹出。
2．研究方法與成果
此次，研究團隊根據「氣體利用來自吸積盤的光的作用力、尤其是紫外線的作用力加速從而形成黑洞風」的理論模式，實施了X射線類比觀測，並將結果與實際觀測結果進行了比較。由此，於全球首次成功地同時並且定量再現了觀測到的黑洞的各種特徵。
圖2利用此次研究使用的理論模式表現了「風」的樣子。從吸積盤中放射出了強烈的紫外線光，這種光透過將氣體推向外側，形成了「風」。此次的研究以該模式爲基礎，利用電腦模擬計算了當中心的黑洞周圍放射X射線時，X射線與「風」碰撞後會形成什麼樣的光譜。
圖2：此次研究的基礎——「風」的理論模式。在此次研究中，從該圖的原點位置向周圍放射X射線，類比了X射線與「風」碰撞時會發生什麼樣的相輔作用。
也就是說，假說圖2所示的被紫外線推向外側形成的「風」確實存在，並類比觀測了利用X射線觀測這種「風」時看起來是什麼樣。結果見圖3。雖然未能完全再現吸收線的深度，但可以看出，兩條吸收線出現的位置均與觀測結果一致。另外，還再現了與「風」碰撞後散射的X射線形成亮線的情景。此前也嘗試過透過理論模式再現觀測結果，但存在「風」的速度過慢等問題。此次，透過改進理論模式和類比觀測方法等，首次成功地定量再現了「風」的各種觀測特徵。
圖3：在圖1所示的X射線光譜上重疊了此次的研究結果。雖然未能完全再現吸收線的深度，但可以看出兩條吸收線的位置高度重合。
3．波及效果與未來展望
日本預定2022年度發射的XRISM人造衛星的能量解析度（能多大程度區別並觀測具備不同能量的X射線）比以往的人造衛星高出1位數以上。因此，預計可以更詳細地捕捉黑洞風形成的吸收線的樣子。研究團隊利用此次的研究結果，製作了XRISM人造衛星進行類比觀測時的光譜。比較圖3（以往的人造衛星）和圖4（XRISM人造衛星）可以看出，區別非常明顯，利用XRISM人造衛星，可以分離一個一個的微小結構進行觀測。今後，隨着實際獲得這樣的光譜，有望進一步明確黑洞風的來歷。
圖4：利用XRISM人造衛星觀測與圖1和圖3一樣的天體時的類比觀測結果。可以清晰看到利用以往的人造衛星無法看到的微小吸收線的樣子。（曝露時間爲30萬秒的類比）
論文資訊
題目：UV line driven disc wind as the origin of ultrafast outflows in AGN
期刊：Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
doi：10.1093/mnras/staa3282
日語發佈原文
編譯：JST客觀日本編輯部
