NASAの気球に世界最大の日本製の望遠鏡を搭載

愛媛大学大学院理工学研究科の粟木久光教授、善本真梨那特定研究員、および広島大学、大阪大学、JAXA宇宙科学研究所が参画する気球搭載型望遠鏡XL-Calibur国際研究チームは、ブラックホールに物質が落ち込む前にどのように渦を巻き、莫大なエネルギーを放出するのか、その環境をより深く理解するために、硬X線放射の「偏光」観測を実施しました。
X線偏光観測ミッションXL-Caliburは、2024年7月にスウェーデンからカナダへ向けた約6日間の長距離気球フライト中に、ブラックホールX線連星である「はくちょう座 X-1」を観測しました。XL-Caliburの観測により、「はくちょう座 X-1」から放射される15-60keVのX線について、偏光情報（偏光度と偏光角）をこれまでよりも約20倍も高い感度で観測することに成功し、最も精密な制約を得ることができました。XL-Caliburの結果を、直径125kmのブラックホールの中心から2000km以内で明るく輝くプラズマ領域（コロナ）が、ブラックホールから数十億kmにわたって噴出する巨大なプラズマジェットと垂直方向に整列していることを示しています。この結果から、コロナは、伴星から奪った物質が渦状に落ち込む円盤に沿って、平べったい構造をしていることが明らかになりました。
今後は、改良した気球実験や人工衛星によるX線の偏光・測光・分光の観測結果、理論研究から、様々な質量のブラックホール（太陽質量の数倍から100億倍もの超巨大サイズ）において、ブラックホールに吸い込まれつつある物質が重力の影響をどのように受けているかが明らかにされ、中心に存在するブラックホールの特性（自転速度）やブラックホールが及ぼす相対論的な効果（時空のゆがみ）などの理解が進むと期待されます。
本ミッションでは、日本の研究者が装置の中核となるX線集光ミラーの製作・較正を担当しました。日本の技術力が国際観測の鍵を担った形となっています。

研究成果のポイント

• ブラックホールの極限環境を、X線（硬X線）観測では新しい「偏光」という手法から解き明かしました。
• 気球搭載型望遠鏡XL-Calibur（エックスエル-カリバー）により、地球からおよそ7000光年離れたブラックホール「はくちょう座X-1（CygnusX-1）」からの15-60keV（1.5-6万電子ボルト）の硬X線を観測しました。
• 日本製の世界最大のX線集光ミラーなどにより、従来よりも20倍も高い感度で観測データを取得することに成功しました。
• これまでブラックホール周辺にコロナ（高温のプラズマ領域）が存在することが知られていましたが、その形状を決定できる観測結果がありませんでした。今回のXL-Caliburの観測結果は、直径125 kmのブラックホールの中心から2000km以内で明るく輝くコロナが、ブラックホールから数十億kmにわたって噴出する巨大なプラズマジェットと垂直方向に整列している（伴星から奪った物質が落ち込む円盤に沿って平べったい構造をしている）ことを示します。
• 本研究成果により、ブラックホール近傍のコロナプラズマの構造を制限することができ、ブラックホール近傍の物理過程の理解に重要な手がかりを提供しました。

論文情報

掲載誌：The Astrophysical Journal
タイトル：XL-Calibur Polarimetry of Cyg X-1 Further Constrains the Origin of its Hard-state X-ray Emission
著者：Hisamitsu Awaki, Matthew G. Baring, Richard Bose, Jacob Casey, Sohee Chun, Adrika Dasgupta, Pavel Galchenko, Ephraim Gau*, Kazuho Goya, Tomohiro Hakamata, Takayuki Hayashi, Scott Heatwole, Kun Hu*, Daiki Ishi, Manabu Ishida, Fabian Kislat, Mózsi Kiss*, Kassi Klepper, Henric Krawczynski, Haruki Kuramoto, Lindsey Lisalda, Yoshitomo Maeda, Hironori Matsumoto, Shravan Vengalil Menon, Aiko Miyamoto, Asca Miyamoto, Kaito Murakami, Takashi Okajima, Mark Pearce, Brian Rauch, Nicole Rodriguez Cavero, Kentaro Shirahama, Sean Spooner*, Hiromitsu Takahashi, Keisuke Tamura, Yuusuke Uchida, Kasun Wimalasena, Masato Yokota, Marina Yoshimoto
DOI：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ae0f1d