2021 年 5 月 6 日｜研究成果プレスリリース【タイトル】直角に折れ曲がるジェットが描き出す銀河団の磁場構造【概要】
国立天文台、ノースウェスト大学（南アフリカ）、東京大学宇宙線研究所、オランダ宇宙研究所、鹿児島大学、名古屋大学、九州大学、南アフリカ電波天文台、SKA 機構などからなる国際研究チームは、はと座の方向 6.4 億光年の距離にある銀河団 Abell 3376 を、南アフ
リカ電波天文台が運用する電波干渉計「ミーアキャット」を使って観測しました。この銀河団は、大小ふたつの銀河団が合体している現場で、この観測から銀河団の中心に位置する銀河から噴射されるジェットが、小さい銀河団の境界面で二手に折れ曲り、細くたなびくようすが初めて捉えられました。
この構造を作るメカニズムを解明するため、国立天文台の天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイ II」を用いたシミュレーションを実施しました。その結果、銀河団を包み込む磁場にジェットがぶつかることで二手に折れ曲り、折れ曲がった先から磁場に沿って細く伸びる構造を再現することに成功しました。
本研究によって、銀河から吹き出すジェットと銀河団磁場の相互作用の現場が初めて捉えられました。ジェットの構造を詳細に調べることで、直接観測することが難しい磁場の構造を明らかにするという新しい手法が得られたことになります。
この研究成果は Chibueze, Sakemi, Ohmura et al. “Jets from MRC 0600-399 bent by magnetic
fields in the cluster Abell 3376 ” として、英国の科学雑誌『ネイチャー』に 2021 年 5 月 6日掲載されました。
【本文】
宇宙では銀河は一様に分布しているのではなく、銀河どうしが 100 から数千個ほど群れ集まった「銀河団」を構成しています。この銀河団は、数千万度から約 1 億度もの高温のプラズマガス「銀河団ガス」で満たされていることが、エックス線観測から示唆されています。
同時に、プラズマ中の高エネルギー粒子が磁場の周りを旋回運動する際に放射する電波も観測されることから、銀河団ガスは磁場を持つことが分かっています。銀河団は、銀河団どうしが衝突することで大きく成長していきますが、衝突を繰り返す過程で、揃った強い磁場が銀河団ガス中に作られていく場合があると考えられています。
はと座の方向 6.4 億光年先にある銀河団 Abell 3376 も、大小２つの銀河団の正面衝突が起こっている衝突銀河団の一つです。過去の観測から、小さい銀河団は西から東（右から左）に運動していることがわかっています。２つの銀河団にはそれぞれ温度の異なる銀河団ガスが付随し、小さい銀河団の冷たいガスが大きい銀河団の熱いガスを押しのけるように、整ったガスの境界面ができていることが知られています。この境界面を「コールドフロント」と呼びます。この大きな銀河団のガスに存在する磁場が小さな銀河団の表面に揃った磁場を作る事で、境界面を維持しているという説が最も有力ですが、磁場の構造に関しては詳し
くは分かっていませんでした。
さらに、小さい銀河団の中心には MRC 0600-399 と呼ばれる銀河が存在し、過去の観測によって、この銀河の中心にある巨大ブラックホールから「ジェット」と呼ばれる高エネルギー流が噴出していることが知られていました。このジェットは、上下（南北）に差し渡しで約 16 万光年の距離に伸び、あるところから左向きに折れ曲がる不思議な形状をしている事がわかっていました。左側に移動する小さい銀河団は、大きい銀河団に付随する銀河団ガスを向かい風として左から右に受けることになります。一般的には銀河団ガスの風を受けるとジェットは風下に流れますが、MRC 0600-399 のジェットは風上に向かって伸びる大変奇妙な形をしているのです。

図 1: 一般的に考えられている銀河団とジェットのたなびく向きの関係。オレンジの点線が実際に観測されたジェットの形を示しており、左から右に曲がった青い領域がこの小銀河団の運動によって折れ曲がる場合に予想される構造。紫の点線は小銀河団が右から左へ運動する際に形成されるコールドフロントを示している。
クレジット：国立天文台

宇宙における磁場の構造や役割を観測と理論の両面から解明を目指す、国立天文台の酒見
はる香 研究員(日本学術振興会特別研究員 PD．論文採択時は九州大学大学院生)、町田真
美 准教授、ノースウェスト大学（南アフリカ）のジェームズ・チブエゼ 准教授らによる国際研究チームは、南アフリカ電波天文台が運用する電波干渉計「ミーアキャット」（MeerKAT，注 1）を用い、周波数 1.28 GHz の電波で銀河団 Abell 3376 の中心領域を観測しました。この周波数では、プラズマ中の高エネルギー粒子が磁場に沿って旋回運動するときに放射される電波を観測することができます。この観測によって、銀河団 Abell 3376

の中心に位置する MRC 0600-399 のジェットの細かい様子までかつて無いほど高精度に描き出すことに成功しました。観測をリードしたチブエゼ氏は「もともとは、銀河団 Abell 3376の広範囲な磁場構造を調べる目的の観測でした。しかし、ミーアキャットの高い感度によって、銀河団の中心に位置していた MRC 0600-399 に、予想外の構造が見つかったのです。
そこでまず私たちは、この銀河を詳細に調べることにしました。
」と述べています。
この観測から、上下に伸びる 2 本のジェットのうち特に上に伸びたジェットの折れ曲がる位置が、コールドフロントの位置と一致していることが明らかになりました。さらに、非常に細く絞られたジェットが風上となる左側に約 30 万光年も伸びている事に加えて、風下となる右側にもジェットが伸びていたのです。
「銀河団の運動によって受ける風でジェットが折れ曲がる場合は、向かい風の方向にはジェットは伸びません。また、向かい風を受けて折れ曲がるジェットは、銀河団ガスと混ざり合い、一般的には太くなる傾向がありますが、今回観測されたジェットは、折れ曲がった後も細く絞られた構造を維持しています。これまで知られていた構造とは明らかに異なるジェットの姿に大変驚きました」とデータ解析で中心的役割をになった酒見氏は語ります。研究チームは、この両側に曲がったジェットを両鎌に見立て、「両鎌(ダブルサイス)構造」と名付けました。

図 2: 電波干渉計ミーアキャットで観測された銀河 MRC 0600-399 のジェットの姿。✗印のところにブラックホールが存在し、そこから上下にジェットが吹き出している。上下に吹き出したジェットは、途中で左右に折れ曲がり、特に左側に細長く伸びた構造を持っている。過去の観測との比較から、上に伸びたジェットは、コールドフロントの位置で折れ曲がっていることがわかった。
クレジット：Chibueze, Sakemi, Ohmura et al. (2021) Nature Fig. 1(b)より一部改変

銀河団から受ける風と逆向きにジェットが細く伸びるメカニズムの解明のため、研究チー
ムは、国立天文台の天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」(注 2)を用いた 3 次元磁気流体シミュレーションを行いました。研究チームは、コールドフロントに沿った磁場がジェットの運動を妨げているのではないかと考え、コールドフロントを模したアーチ状の磁場とジェットがどのように相互作用するのかを数値計算で確かめました。その結果、コールドフロントの位置でジェットが磁場とぶつかった後、ジェットが折れ曲がる様子を再現しました。計算を行った東京大学宇宙線研究所の大村匠 研究員(論文採択時は九州大学大学院生、日本学術振興会特別研究員)は次のように語ります。
「私たちの計算によって、コールドフロントの位置に揃った磁場が存在する可能性が示されました。アーチ状の磁場を作る磁力線はゴム紐のように振る舞います。ジェットがぶつかり変形を受けた磁力線が縮もうとする力によってジェットの進行方向が曲げられ、コールドフロントに沿ってジェットが流されていると解釈することができます。
」図 3: (シミュレーションの画像・動画)

https://youtu.be/-l9nMMDUncE（左）スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」による、ジェットと銀河団磁場の相互作用の 3 次元磁気流体シミュレーシ
ョン。オレンジから青の部分はガスの速度を表し、赤いほど速度が速い。黄色い線は磁力線を表している。まっすぐに進んだジェットはアーチ型の磁場にぶつかる事で、ジェットの進む向きを磁力線の方向に徐々に変えていく。ジェットの内側のガスは様々な向きに運動しているため、最初は揃っていた磁場も複雑に絡まり合う。磁力線に沿ってジェットが伝わる際に、ジェットが上向きに進む力が少し残っているために、左右に伸びた磁力線がジェットによって持ち上げられる様子が見て取れる。この磁力線が持ち上がった部分が、折れ曲がったジェットの先端になる。
（右）本研究が提唱するシナリオの模式図。小さな銀河団は右から左へ運動している。そのため、小さな銀河団は左から右へ風を受けている状態である。この時、小さな銀河団と大きな銀河団の境界であるコールドフロントには、大きな銀河団の磁場が掃き集められて、小さい銀河団を磁力線が包み込む(図中の茶色の曲線)。MRC0600-399 から上下に噴出したジェットがコールドフロントの磁力線とぶつかると、磁場の力によってジェットの進行方向を変え、ジェットは磁場に沿って伝わる。今回の数値計算では、ジェットが磁場に沿って進む様子のみを再現している。実際には、ジェットの中で作られた超高速粒子が更に磁力線を伝わっていく事でより長く電波で明るく光る構造を作っていると考えている。

シミュレーション画像・動画クレジット：大村匠，町田真美，中山弘敬，国立天文台４次元デジタル宇宙プロジェクト
解説画像クレジット：Chibueze, Sakemi, Ohmura et al. (2021) Nature Fig. 4 より一部改変本研究が提唱するシナリオでは、ジェットはコールドフロントに沿った磁力線に沿って伸びるため、曲がった後のジェットが細く絞られた状態で伸びるという特徴を説明することが可能です。さらに、上下に噴出するジェットの電波強度が途中で弱くなり、ジェットの折れ曲がりの位置で再度強くなるという観測的特徴が、このシミュレーションにおいても再現されました。このように観測の様々な特徴を再現することから、コールドフロントの磁場によってジェットが曲げられていることが強く示唆されます。
本研究は、銀河から吹き出すジェットと銀河団磁場の相互作用の現場をとらえた初めて成果です。研究の総括をおこなった町田氏は「ジェットの伝搬の様子を調べる事によって、直接観測が難しい銀河団の磁場構造を知る事が可能であるという、新しい切り口を手に入れました。いよいよ建設の始まるスクエア・キローメーター・アレイ（Square Kilometre Array：SKA)計画などの大型電波干渉計によって、今後も同様の現象が次々と発見されると期待しています。銀河団から活動銀河核への物質の供給機構や、その中での磁場の役割など、ジェットと銀河団全体の関係などを明らかにしていく予定です」と述べています。
この研究成果は Chibueze, Sakemi, Ohmura et al. “Jets from MRC0600-399 bent by magnetic
fields in the cluster Abell 3376”として、英国の科学雑誌『ネイチャー』に 2021 年 5 月６日掲載されました。
本研究は、文部科学省/日本学術振興会科学研究費補助金（20J13339, 20J12591, 19K03916,17H01110, 19H05076）の支援を受けて行われました。
【論文と研究チームの詳細】
論文：“Jets from MRC0600-399 bent by magnetic fields in the cluster Abell 3376”
著者：Chibueze, Sakemi, Ohmura et al.
掲載誌：Nature
DOI：10.1038/s41586-021-03434-1

【注釈】(注 1) 電波望遠鏡「ミーアキャット」：南アフリカ共和国のカルー砂漠に設置された電波望遠鏡で、64 台のアンテナをつないで干渉計として用いることで観測をしている。1 台の直径は 13.5 メートルで、これらのアンテナを 8 キロメートルの範囲に配置することで、直径8 キロメートルの望遠鏡と同じ分解能で観測することが可能となる。
(注 2) 天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」：国立天文台天文シミュレーションプロジェクトが運用する、シミュレーション天文学専用のスーパーコンピュータ。岩手県奥州市の国立天文台水沢キャンパスに設置され、3.087 ペタフロップス（ 1 秒間に約 3000兆回の浮動小数点演算を行う）の理論演算性能をほこる。
https://www.nao.ac.jp/research/telescope/aterui2.html
連絡先：＜研究に関すること＞＊観測に関して自然科学研究機構国立天文台 研究員/日本学術振興会特別研究員
酒見はる香 （さけみ はるか）
Mail：sakemi@phys.kyushu -u.ac.jp＊数値計算に関して
東京大学宇宙線研究所 研究員
大村 匠 （おおむら たくみ）
Mail：tohmura@icrr.u-tokyo.ac.jp＊研究全体に関して
自然科学研究機構 国立天文台 科学研究部/天文シミュレーションプロジェクト 准教授（元 九州大学大学院理学研究院 助教）
町田 真美（まちだ まみ）
Mail：mami.machida@nao.ac.jp＜報道に関すること＞
九州大学 広報室
TEL：092-802-2130 FAX：082-802-2139
Mail：koho@jimu.kyushu-u.ac.jp