ブラックホールを取り巻くコロナの分布、X線偏光で明らかに

【2022年12月1日 理化学研究所】

ブラックホールと恒星が互いの周りを回る連星系を成していると、ブラックホールの強い重力が恒星から物質を引き寄せる。流れ込んだ物質はブラックホールの周りを回転しながら加熱され、およそ100万度のプラズマからなる円盤が形成される。この高温に相当するエネルギーのX線が放射され、それを観測することで私たちはブラックホールとそれをとりまく円盤の存在を知ることができる。

こうして初めてブラックホールの存在が確認されたのが、約7000光年の距離にあるはくちょう座X-1だ。はくちょう座X-1は太陽質量の21倍のブラックホールと太陽質量の41倍の青色超巨星から成る連星系で、X線で最も明るく輝く天体の一つである。

はくちょう座X-1の想像図。中央に位置するブラックホールが左の青色超巨星から物質を重力で引き寄せ、ブラックホール近傍で渦巻く円盤を形成する。引き寄せられた物質の一部は、ジェットとして円盤の垂直方向に細く射出される（提供：John Paice）

ブラックホールの方向をさらに高エネルギーのX線で観測すると、円盤の100万度をさらに上回る、約10億度に加熱されたプラズマが発していると思われるX線も検出されている。この超高温プラズマは「コロナ」と呼ばれているが、ブラックホール近傍のどこにあるかはわかっていなかった。

ブラックホール周辺では、コロナから円盤の方へ放たれたX線が散乱されるなどの過程で偏光（振動が一定の方向に揃った状態）が起こると考えられる。そこで、米・ワシントン大学のHenric Krawczynskiさんたちの研究チームは、2021年12月に打ち上げられたNASAとイタリア宇宙機関のX線偏光観測衛星「IXPE（Imaging X-ray Polarimetry Explorer）」を用いてはくちょう座X-1を観測した。X線偏光を高感度で観測できるIXPEで偏光の度合いを調べれば、コロナと円盤の位置関係が推測できると期待される。

観測の結果、はくちょう座X-1のコロナが放つX線のごく一部は、円盤と垂直な方向に偏光していた。この状況を説明できるモデルは、コロナが円盤の両面を上下から挟むように覆っているか、円盤とブラックホールの間にコロナが位置しているというものだ。ブラックホール近傍からは円盤と垂直な方向に高速で噴出する「ジェット」と呼ばれるプラズマの流れがあり、コロナはこのジェットを取り巻くように分布しているという仮説もあったが、今回の観測では否定されている。

ブラックホール周辺のコロナの位置と形状の可能性。黒丸はブラックホール、赤の帯が円盤、水色がコロナを表す。（左）コロナが円盤の両面を覆っているモデル、（右）コロナが円盤とブラックホールの間に位置するモデル（提供：理化学研究所リリース）

今回の観測はコロナからのX線が明るい時期に行われたが、タイミングによってはコロナの輝きがほとんど見られず、円盤からのX線が非常に明るくなることもある。これは円盤が通常よりもブラックホールの近傍まで引き込まれているときだと考えられる。その際にはブラックホールの強力な重力場による時空のひずみでX線偏光が変化すると予想され、IXPEの観測によって強重力場下の物理の検証や、ブラックホールの自転速度の測定が可能になるだろう。