数値シミュレーションで迫る
超巨大ブラックホールの謎
野村真理子 （呉工業高等専門学校）
天文宇宙の七夕講演会 2022/7/9 筑波大学（オンライン）

Credit: 右上から，国立天文台，野村他 (2017), NASA,
The EHT collaboration (2019), 高橋他 (2016), NASA

自己紹介
野村 真理子（のむら まりこ）
‣呉工業高等専門学校 数学科教員‣

専門：ブラックホール宇宙物理（理論）‣

筑波大との関わり•2010〜2014年度 受託院生・研究員として大須賀教授に師事•

2015年度 研究員として筑波大に在籍（梅村教授に師事）

授業の様子

筑波大在籍時，研究会にて
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七夕と天の川
ベガ（こと座）織姫

デネブ（はくちょう座）

天の川
アルタイル
（わし座）
彦星

写真: 群馬天文台

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天の川銀河（銀河系）約1,000億個の星からなる天の川銀河（銀河系）

銀河系中心

10万光年

夜空に流れる「天の川」は太陽系から天の川銀河を真横に見た姿

26,100光年

太陽系© NASA/JPL-Caltech/R.Hurt[SSC-Caltech]© 2MASS4

ブラックホールはどこにある？
赤外線で見た宇宙（星やガス）© 2MASS5

ブラックホールはどこにある？
X線で見た宇宙（ブラックホールや中性子星など）

6ブラックホールはどこにある？
恒星質量ブラックホール(太陽の10倍程度の質量)
天の川銀河に約60個発見！

太陽

Negoro 20087

ブラックホールはどこにある？
約400万太陽質量の超巨大ブラックホールが天の川銀河中心に存在！

© EHT Collaboration© 2MASS

超巨大ブラックホールは天の川銀河以外の銀河中心にも存在8今日のお話✦ ブラックホールとは何か？
✦ 恒星質量ブラックホール✦ 超巨大ブラックホール‣

超巨大ブラックホールの探査（EHTの活躍）‣超巨大ブラックホールの謎✦ 超巨大ブラックホールの数値シミュレーション

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ブラックホールとは？
大量の物質を極限的に小さい領域に押し込めた天体
光さえ脱出できない暗黒天体

1916年にアインシュタインが予言©Alain r/Wikimedia Commons10日常で出会う「黒」の話

黒いコートを着ていても「コートがある」のが見える！
©Surrey NanoSystems

黒色⇨ 可視光を吸収する物質の色100%吸収するわけではないので，目に見える世界一黒い物質ベンタブラック⇨ 可視光の99.96%を吸収
目で見えないくらい黒いが，赤外線では見える11ブラックホールはなぜ黒い？
光

光はまっすぐ進む
ブラックホールの強い重力によって光は曲がって進む

全ての光はブラックホールの中心へ

ブラックホールの中心（強い重力源） 12

ブラックホールはなぜ黒い？
光はブラックホールから出てくることはできない⇨ ブラックホールは「黒い」
事象の地平面ブラックホールに表面はない！
ある場所より内側に入ってしまうと出てこられないという境界面（事象の地平面）がある⭕
❌
13

あらゆる物質が脱出不可能
光の速さ（宇宙最高速度）でも脱出できない⇨ あらゆる物質が脱出不可能
事象の地平面⭕
表面がないので激突はしない❌

14

ブラックホールの大きさ
事象の地平面の半径 = 3km ×

ブラックホールの質量
太陽の質量
ブラックホールへ

太陽：
半径 約70万km

半径 3km

質量 約1030 kg
地球：
半径 約6400km
太陽質量の約30万分の1倍

半径 1cm15

ブラックホールの大きさ
事象の地平面の半径 = 3km ×恒星質量ブラックホール
太陽の約10倍の質量⇨ 約30km

ブラックホールの質量
太陽の質量

超巨大ブラックホール
太陽の数100万倍〜100億倍の質量⇨ 数十億 km

参考：つくばエクスプレス 参考：太陽から海王星までの距離の全長60km
約45億km16

明るく輝くブラックホール
ガスはブラックホールの周りをぐるぐると高速回転

ブラックホールそのものが輝いているわけではない！

ガス円盤（降着円盤）

ブラックホール
想像図しながら落ちていく光

ガス同士が擦れて高温になる（1万度以上！）X線・紫外光をはじめとした大量の光を放出
17恒星質量ブラックホール
恒星質量ブラックホール：
太陽の10倍程度の質量
ブラックホール
白鳥座X-1: 人類が最初にみつけたブラックホール

伴星

イメージ図 © Martin Kornmesser, ESA/ECF©NASA

連星のガスがブラックホールに吸い込まれていく様子（想像図）。
ガスはX線を放出しながらブラックホールへと落下していく。
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ブラックホールのでき方

重い星（太陽の40倍以上）が一生の最後に超新星爆発を起こし，その中心にできる© 2014 Japan Science and Technology Agency

19ブラックホールはいくつある？
銀河系には1億〜10億個のブラックホールがあるはずだが，見つかっているのはたったの約60個！

ブラックホール連星に属さない孤立ブラックホール伴星© NASA

伴星からガスが大量に落下する 周りのガスが少ないため，ため輝くブラックホールは輝かない⇨ 発見が難しい！
20

孤立ブラックホールを探す
孤立ブラックホールがガス雲に突入した痕跡を探査する
00.50020.5 400

2244 00

0.2
0.1 0.4
0.2 02 40.4 00 0.2

0.1 0.2

ブラックホールがガス雲に高速で突入

観測者方向の速度 km/秒

ガス雲

←遅い

ガス雲

遅い
速い

観測者

ブラックホールの周囲のガスが引きずられてY字形の構造ができる←速い
CO= 1–0

CO = 3–2
1–0CO

34.75+CO
4–3 HCO
=1–0CO==3–2CO山田他
4–32016
HCN=1–0 HCN =1–0
HCO+= =1–034.71

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孤立ブラックホールを探す
孤立ブラックホールがガス雲に突入した痕跡を探査する
00.50020.5 400

2244 00

0.2
0.1 0.4
0.2 02 40.4 00 0.2

0.1 0.2←遅い

観測者方向の速度 km/秒

観測者方向の速度 km/秒

ガス雲

←速い
CO= 1–0

CO = 3–2
1–0CO

34.75

CO
CO ==3–2
4–334.71←ガス雲

Y字型の構造をシミュレーション
ブラックホールで再現！
CO = 4–3 HCO =1–0 HCN =1–0
HCO+ =1–0+
HCN
=1–0

野村他 2018

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孤立ブラックホールはたくさんある
ガス雲中の孤立ブラックホールの想像図

クレジット：慶應義塾大学

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超巨大ブラックホール
超巨大ブラックホール：太陽の100万倍から100億倍もの質量
M87銀河中心のブラックホールの影銀河中心

ほぼ全ての銀河中心に超巨大ブラックホールが存在© EHT Collaboration

超巨大ブラックホールの最も直接的な証拠
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ブラックホールの探査
超巨大ブラックホールを直接写す
イベント・ホライズン・テレスコープ (EHT)© Kristy Johnson. Photo credits:
ALMA -- ESO / C. Malin; SMA -Shelbi Hostler; SPT -- Jeﬀ
McMahon; SMT -- David Harvey;
PV -- IRAM; JCMT -- JCMT/JAC;
LMT -- Gopal Narayanan; APEX -APEX.

地球サイズの望遠鏡の性能を実現
視力300万！
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視力300万ってどのくらい？

月にある野球ボールが見える！

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ブラックホールを捉えた！
M87銀河：地球から5500万光年© NASA, ESA and the Hubble Heritage Team© EHT Collaboration(STScI/AURA)

太陽質量の約65億倍もの質量を持つ超巨大ブラックホールが作る影「ブラックホールシャドウ」を初めて捉えた！
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天の川銀河の超巨大ブラックホール
我々の住む銀河系の中心にも約400万太陽質量のブラックホールが存在する© EHT Collaboration星の運動から超巨大ブラックホールの存在を予言⇨ 2020年ノーベル物理学賞

EHTによって超巨大ブラックホールの撮影に成功！
(2022年5月)

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光のリングのできかた
ブラックホールの周りを飛び回る光の粒

Credit: Nicolle R. Fuller/NSF

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光のリングのできかた
ブラックホールの周りを飛び回る光の粒
ブラックホールをかすめて地球へ←明るい←影←明るいブラックホールに近づきすぎて吸い込まれてしまう
Credit: Nicolle R. Fuller/NSF

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光のリングのできかた
ブラックホールの周りを飛び回る光の粒
ブラックホールをかすめて地球へ←明るい←影
ブラックホールを周回してから地球へ←明るいブラックホールに近づきすぎて吸い込まれてしまう
Credit: Nicolle R. Fuller/NSF

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コンピュータシミュレーションの活躍
M87 (観測結果)

シミュレーション

シミュレーションの擬似観測

The EHT collaboration (2019)

ブラックホールの周りを飛び回る光の伝搬をスーパーコンピュータで計算

Credit: 国立天文台

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超巨大ブラックホールの謎 ① ガスの噴出
ブラックホール天体からは光だけでなくガスも噴き出ている．
ケンタウルス座A
ジェット: 細く絞られCredit: ESO/WFI (visible);
光速近くまで加速された MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (microwave);
NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (X-ray)

プラズマ流
銀河 (直径約10万光年)

超巨大ブラックホール+ 降着円盤
(サイズ：太陽系以下)

アウトフロー: 広がった構造を持つガス流

降着円盤
ブラックホール

想像図

33超巨大ブラックホールの謎 ② 進化の謎
宇宙誕生後8億年に1億太陽質量のブラックホールが存在
超巨大ブラックホール

Matsuoka et al. (2019)

宇宙初期に超巨大ブラックホールを発見⇨ 早く作らないといけない！
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増加 →

ブラックホール質量

ブラックホールと銀河の共進化

©NASA

©NASA

銀河中心部の星質量増加35

10億
1億
1000万

ブラックホール質量 (太陽質量)増加 →ブラックホール質量

ブラックホールと銀河の共進化

Marconi & Hunt (2003)
10億

100億

1000億

1兆

銀河中心部の星質量 (太陽質量)

ブラックホールと銀河は影響を及ぼしあいながら進化
増加
銀河中心部の星質量

具体的な進化のプロセスはわかっていない！

©NASA

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超巨大ブラックホールの作り方
合体成長
ブラックホール同士が合体して成長？

想像図 © LIGO/T. Pyle

ガス降着による成長
ガス円盤を通して大量のガスを吸い込むことで成長？
想像図 © NASA37

天文学の両輪：理論と観測理論

観測© NAOJ© 国立天文台© NASA and General Dynamics

Takahashi et al. (2016)

計算・シミュレーションで天体現象を研究・観測結果を予測© NASA and the Hubble Heritage Team

望遠鏡や人工衛星で天体現象を実際に観測
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スーパーコンピュータの活躍
アテルイ2 (国立天文台)

富岳 (理化学研究所)

Cygnus (筑波大学)

YUKAWA-21 (京都大学)
39様々な計算手法
アウトフロー

断面図

ブラックホール

ガスや星の集まりを粒子で表し，粒子の運動を計算

空間を細かく分割
隣り合う部屋同士でのガスのやりとりを計算
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① ガスの噴出

D

シミュレーション：高橋博之，大須賀健
可視化：中山弘敬
国立天文台４次元デジタル宇宙プロジェクト

41

ジェットのシミュレーション① ガスの噴出

円盤から放射される強い光に押され，ジェットが噴水のように噴き出す！

ジェット

降着円盤

ブラックホール

高橋他 (2016)

シミュレーションでジェットの噴出メカニズムを解明！
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アウトフローのシミュレーション① ガスの噴出降着円盤
ブラックホール

野村他 (2017)

降着円盤からの紫外光によって降着円盤表面のガスが剥ぎ取られ，吹き飛ばされる！

43

① ガスの噴出観測との比較でアウトフローの謎を解明
シミュレーション
結果を疑似観測

XMM-Newton© ESA/D. Ducrosーロフ

アウトフロートウア

降着円盤
ブラックホール
ブラックホール

X線観測（イメージ図）

降着円盤
降着円盤

比較

水本他 (2021)

ガス円盤から放射される紫外光によってアウトフローが生じることを解明！

44ブラックホール成長への影響
ブラックホールへ吸い込まれるガスが減ってしまう② 進化の謎

途中でアウトフローによってガスが剥ぎ取られる

ガスは降着円盤を降着円盤
ブラックホール通してブラックホールへと吸い込まれる

アウトフローはブラックホールの成長を邪魔するのか？
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ブラックホール質量 増加

ブラックホール成長への影響② 進化の謎アウトフロー強⇨ブラックホール成長を抑制する

アウトフロー弱⇨ブラックホール成長を邪魔しない

銀河の進化
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アウトフローが銀河に及ぼす影響② 進化の謎ジェットやアウトフローは大きなエネルギーや物質を運ぶ⇨ 周辺のガス雲を加速・加熱⇨ 銀河を構成する新しい星が作りにくくなる？
アウトフローの伝搬シミュレーションワグナー他 (2013)

ブラックホールと銀河の進化を解明する鍵になるかも！

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アウトフロー研究の展望
X線天文衛星XRISM(2022年打ち上げ予定)
アウトフローは特定のエネルギーのX線だけ吸収 ⇨ へこみが出来る© JAXA

Commons

白色光がプリズムで虹色に分かれるように，X線をエネルギー(色)ごとに分けることができる
XRISMはその性能が高い

強度

Wikimedia

強度©D-Kuru/X線のエネルギー (キロ電子ボルト)

X線のエネルギー (キロ電子ボルト)

XMM-Nowton (これまで)XRISM (予想)シミュレーションとの比較でアウトフローによるエネルギー流出量などを解明 ⇨ 銀河への影響を解明

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まとめ
✦ ブラックホール = 光さえも脱出できない天体（表面がない）✦ 2種類のブラックホール：恒星質量 & 超巨大ブラックホール✦ 超巨大ブラックホールの大きな謎‣

ガスの噴出メカニズム‣

超巨大ブラックホールのでき方✦ 謎を解明すべく，シミュレーションが活躍中！

引き続き，七夕講演会をお楽しみください！
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