東北大、ブラックホールジェットの謎を解き明かすふたつの研究成果

東北大学は、同大学大学院 理学研究科 天文学専攻の當真賢二助教が、ジェットからのガンマ線の直線偏光度分布を理論予測し、いくつかの衛星計画を推進させた後、実際に偏光が検出され、ジェットの有力な理論モデルをひとつに絞り込めることを示したと発表した。また、円偏光を初検出した国際チームに加わり、そのデータをもとに放射領域で電子が極めて非等方であるという新説を提唱した。

アインシュタインの一般相対性理論では、ブラックホールは最も強い重力場であり、入ってしまうと光さえも出てこられないという領域として知られている。ブラックホールは、周囲の物質をすべて吸い込んでしまうイメージがあるが、実際はブラックホールの少し外側で重力と遠心力が釣り合った周回運動が可能で、こうした領域では逃げ出した光が観測でき、他の粒子も同様に高エネルギーを獲得して、遠方まで逃げ出すことが可能だという。

物質がブラックホール周辺から逃げ出す過程の中で、最も顕著で不可思議なものにジェットが挙げられる。これは細く絞られた噴流で、速度は光速の99.99%にも達することがある。ブラックホールジェットは、銀河の中心の巨大ブラックホールに付随していたり、ガンマ線バーストを引き起こしたりしているが、ジェットがどのようにして駆動され、どのようにして輝くのかについては未だ謎となっている。

當真賢二助教は、ジェットからの光の振動方向の偏り(偏光)の情報を駆使した理論研究を行ってきた。その中で、世界にインパクトを与えたふたつの研究成果が評価され、平成29年度科学技術分野の文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞した。

ひとつ目の成果が「ガンマ線の偏光」だ。研究では、ガンマ線の偏光を多く観測することができれば、理論モデルをさらに絞り込めることを理論的に示した。分かりやすくモデルを区別できるということを理論的に示したことで、いくつもの観測研究者ブループがガンマ線偏光衛星計画を立てた。

2010年、日本のソーラーセイル実証機「IKAROS」に搭載された検出器が、ガンマ線偏光観測に成功した。同助教は３例のみの限られた観測データから、ガンマ線放射機構とジェット駆動機構には磁場が重要であるという結論を導き、他の仮説より有力であることを示した。この説は、ガンマ線バーストジェットに対して偏光理論と観測から切り口を示した点で、独創的であり意義が大きいと評価されている。現在、さらに多くの観測を目指し、大型化したガンマ線偏光検出器の計画が進められている。

もうひとつの成果が「可視光の偏光」だ。ガンマ線バーストからの偏光はこれまで直線偏光のみが観測されていしたが、2012年、光の成分のうち振動の方向が回転する円偏光が検出された。同助教はこの観測チームでデータの理論解釈を担当し、衝撃波において光る電子の運動方向が極めて偏っていれば、データを説明しうることを提唱した。なぜ電子の運動方向が偏るのかはまだ理論的に説明できておらず、さらに研究を進める必要があるという。