大阪大学大学院理学研究科の宮本愛子さん（博士後期課程）、川室太希助教、小髙裕和准教授、松本浩典教授、国立天文台の泉拓磨准教授の研究グループは、超巨大ブラックホール周辺の物質から放たれる鉄の蛍光X線の明るさが時間変化していることを世界で初めて捉え（図1）、従来のX線望遠鏡の解像度（約30光年）では見ることができなかった、20光年よりも小さな空間スケールの構造の存在を明らかにしました。

本研究では、NASAのX線天文衛星であるチャンドラ衛星による20年分の観測データを解析し、鉄の蛍光X線の明るさが半年から数年のスケールで激しく変化していることを発見しました。この「光のまたたき」を利用することで、X線望遠鏡の視力の限界（解像度）よりも小さな空間スケールの構造を特定しました。さらにアルマ望遠鏡による観測データと組み合わせることで、この構造が強烈なX線に照らされたことで分子ガスが破壊された領域でエコーが起こっている可能性も示しました。

これまで、銀河の中心に存在する超巨大ブラックホールを取り囲むガスやちりは、可視光や電波などの波長で観測されてきましたが、それらの波長で見えるものは一部の物質に限られていました。一方、X線の反射や吸収を使うと、あらゆる状態の物質を観測することが可能です。しかし、X線観測では、望遠鏡の解像度による制約から、その具体的な広がりや詳細な内部構造については解明されていませんでした。

今回、研究グループは、20年間にわたるX線観測のアーカイブデータを解析することにより、超巨大ブラックホール周辺のガスが20光年よりも小さな塊として存在していることを解明しました。さらに、電波の観測による分子ガスの分布と比較することにより、ブラックホールが放つX線に照らされることでガスの状態が変化していることを解明しました。これにより、銀河の進化の鍵を握るブラックホールと周囲の環境が互いに影響を及ぼし合う仕組みの理解が大きく進むと期待されます。

本研究成果は、「Publications of the Astronomical Society of Japan」に、３月２日（月）９時０１分（日本時間）に公開されました。

図1. チャンドラ衛星で観測された鉄の蛍光X線の時間変化
（黄色に光っているところが鉄の蛍光X線が強い場所）

これまで、銀河の中心にある超巨大ブラックホールは、周囲にある膨大なガスやちりを飲み込む過程で強烈なエネルギーを放射し、銀河全体の進化を左右していることが考えられてきました。様々な波長の光による観測から、超巨大ブラックホールは、核周円盤、トーラス、降着円盤に取り囲まれていると考えられています（図2）。これらの構造には、やがてブラックホールに飲み込まれていく物質が分布しています。実際に、高い解像度の電波や赤外線観測で、分子ガスやちりでできた核周円盤が見えています。しかし、これらの波長で見える物質の状態や分布する領域は限られるため、他の波長による観測が必要となってきます。

そこで、物質の状態がガスやちりなどの分子か原子かにかかわらず見ることが可能なX線による観測が行われてきましたが、解像度の限界によって、ガスがどのような広がりや構造を持っているのかを捉えきれないという課題がありました。

図2. 銀河（上図）と銀河中心に存在する超巨大ブラックホールとその周辺構造の断面図（下図）

本研究では、チャンドラ衛星が20年間にわたり蓄積したコンパス座銀河の公開アーカイブデータを非常に詳細に解析しました。その結果、ブラックホール周辺から放たれる鉄の蛍光X線の明るさが、半年から数年の単位で激しく変化していることを発見しました。　　鉄の蛍光X線は、ブラックホールのすぐそばから出たX線（図2の「中心からのX線」）が、周辺の物質に含まれる鉄原子をあぶることで出てきます（図2の「反射されたX線」）。この反射のことを「X線エコー」と呼びます。中心からのX線の明るさが変わると、そのX線エコーとして観測される、鉄の蛍光X線の明るさも変化します。我々が住む地球が存在する天の川銀河の中心にも巨大ブラックホールがあるとされています。天の川銀河中心のブラックホール周辺では、X線エコーの時間変化が観測されており、中心からのX線の明るさは過去の方が現在よりも明るかったということがわかっています。本研究では、これまで天の川銀河でしか見られていなかったX線エコーの時間変化を、別の銀河（コンパス座銀河）で捉えることに世界で初めて成功しました。

そして、このX線エコーの時間変化を用いることで、中心からのX線を反射しているガスの塊について、大きさの上限値を見積もることができます。上限値は、反射されたX線の時間変化のスケールに光の速さをかけることで求まります。本研究の解析の結果、この上限値はおよそ20光年であることがわかりました。これにより、従来のX線望遠鏡の解像度では判別が不可能であった30光年よりも小さな構造の存在を、X線の明るさの時間変化を活用することによって初めて明らかにすることができました。

さらに、アルマ望遠鏡が観測した分子ガスの分布と鉄の蛍光X線の分布との比較により、X線が強く照射されている領域で分子ガスが分解されている状況を可視化することを実現し、ブラックホールの活動が周囲の環境に物理的な影響を与えている可能性を示しました。

本研究成果により、過去20年間に蓄積された観測アーカイブデータが、時間変化を利用した解析手法によって「解像度の限界を突破する」という新たな科学的価値を生み出すことが期待されます。これは天文学のみならず、蓄積されたビッグデータの戦略的な再活用が、世界最高の性能をもつ観測装置に匹敵する、あるいはそれを補完する発見をもたらし得ることを示した好例と言えます。

また、ブラックホールが周辺の星の材料を分解・変質させるプロセスの一端が解明されたことで、銀河の成り立ちや進化の歴史をより正確に描き出すことが可能になります。本研究で得られた知見は、将来の超高解像度観測において、何を狙い、何を解明すべきかという観測戦略の策定に大きく寄与します。銀河の進化の鍵を握る超巨大ブラックホール周辺の物質の循環を理解するうえで極めて大きな意義があります。

本研究成果は、2026年３月２日（月）９時０１分（日本時間）に「Publications of the Astronomical Society of Japan」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Possible time-variable iron-Ka emission in the circumnuclear region of the Circinus galaxy”
著者名：Aiko Miyamoto, Taiki Kawamuro, Hirokazu Odaka, Takuma Izumi and Hironori Matsumoto
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1093/pasj/psag002

なお、本研究は、科学技術振興機構 次世代研究者挑戦的研究プログラム/大阪大学 学際融合を推進し社会実装を担う次世代挑戦的研究者育成プロジェクト（課題番号：JPMJSP2138）および科学研究費助成事業（課題番号：23K13153, 24K00673, 22K18277, 22H00128, 23H00128）の支援を受けて行われました。

川室太希助教　研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/3e0f66cedd0da895.html