天体ジェット

天体ジェットとは、電離物質が天体から高速で噴出する天文学的現象であり、天体の回転軸に沿って反対方向に伸びる一対の細い流れとして現れる。^{[ 1 ]}これらの流れの中の物質が光速に近い速度で流れている場合、そのジェットは相対論的ジェットと呼ばれ、特殊相対性理論によって予測される現象を示す。

天体ジェットは、ブラックホール、中性子星、パルサーなど、多くの種類の高エネルギー天体と関連付けられています。その原因はまだ完全には解明されていませんが、降着円盤内の動的な相互作用から生じると考えられています。一つの説明としては、降着円盤が回転すると、回転する絡み合った磁場が生成され、円盤から物質がジェットに集中し、中心天体から遠ざかるというものです。^{[ 2 ]}ジェットは、フレームドラッギングとして知られる一般相対性理論の効果によっても影響を受ける可能性があります。^{[ 3 ]}

最も大きく活発なジェットのほとんどは、クエーサーや電波銀河などの活動銀河の中心、または銀河団内の超大質量ブラックホール（SMBH）によって生成されます。 ^{[ 4 ]}このようなジェットは、長さが数百万パーセクを超えることがあります。 ^{[ 2 ]}ジェットを生成する、またはジェットによって引き起こされる他の天体には、激変星、X線連星、ガンマ線バースト（GRB）などがあります。はるかに小さいスケール（～パーセク）のジェットは、Tタウリ星やハービッグ・ハロー天体などの星形成領域で見られることがあります。これらの天体は、ジェットと星間物質の相互作用によって部分的に形成されます。双極性アウトフローは、原始星^{[ 5 ]}、または進化したポストAGB星、惑星状星雲、双極性星雲にも関連している可能性があります。

相対論的ジェットは、光速に近い速度まで加速された電離物質のビームです。観測上、ほとんどのジェットは、活動銀河、電波銀河、クエーサーの中心ブラックホール、銀河系恒星ブラックホール、中性子星、パルサーと関連付けられています。ビームの長さは、数千パーセク^{[ 6 ]} 、数十万パーセク^{[ 7 ]}、数百万パーセク^{[ 2 ]}に及ぶことがあります。ジェットの速度が光速に近づくと、特殊相対性理論の顕著な影響が現れます。例えば、見かけのビームの明るさを変える相対論的ビーム効果などです^{[ 8 ]。}

銀河の中心にある巨大なブラックホールは最も強力なジェットを持つが、その構造と挙動は、より小さな銀河の中性子星やブラックホールのものと似ている。これらのシステムはしばしばマイクロクエーサーと呼ばれ、速度の範囲が広い。たとえば、SS 433ジェットの平均速度は 0.26 cである。^{[ 9 ]}相対論的ジェットの形成は、超相対論的である既知の最も相対論的なジェットを持つガンマ線バーストの観測結果も説明できる可能性がある。^{[ 10 ]}

ジェットの構成の背後にあるメカニズムは依然として不明確であるが、^{[ 11 ]}いくつかの研究ではジェットが原子核、電子、陽電子の電気的に中性の混合物で構成されているモデルを支持している一方、他の研究では陽電子-電子プラズマで構成されたジェットと一致している。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}相対論的陽電子-電子ジェットに掃き上げられた微量の原子核は、これらのより重い原子核が陽電子と電子の速度に等しい速度に達するはずなので、非常に高いエネルギーを持つと予想される。

相対論的ジェットを噴出させるには膨大なエネルギーが必要となるため、ジェットの中には回転するブラックホールによって駆動されているものもある。しかし、ジェットを伴う高エネルギー天体の発生頻度から、関連する降着円盤内のエネルギーと発生源からのX線放射に間接的に関連付けられる様々なメカニズムの組み合わせが示唆される。ブラックホールから天体ジェットへエネルギーがどのように伝達されるかを説明するために、初期の理論として2つが用いられてきた。

• ブランフォード・ズナジェク過程。^{[ 15 ]}この理論は、ブラックホールのスピンによって引きずられ、ねじれた降着円盤の周囲の磁場からエネルギーが抽出されることを説明する。その後、磁力線の締め付けによって相対論的物質が放出される可能性がある。
• ペンローズ機構。^{[ 16 ]}ここでは、フレームドラッギングによって回転するブラックホールからエネルギーが抽出されます。これは後に、レバ・ケイ・ウィリアムズによって相対論的粒子のエネルギーと運動量を抽出できることが理論的に証明され、 ^{[ 17 ]}その後、ジェット形成の可能なメカニズムであることが示されました。^{[ 18 ]}この効果には、一般相対論的重力磁気の使用が含まれます。

ジェットは、回転する中性子星からも観測されることがある。例として、パルサーIGR J11014-6103が挙げられる。これは、これまで天の川銀河で観測された中で最大のジェットを持ち、その速度は光速の 80% (0.8 c ) と推定されている。X 線観測は行われているが、電波信号や降着円盤は検出されていない。^{[ 19 ] [ 20 ]}当初、このパルサーは高速回転していると推定されていたが、後の測定では回転速度は 15.9  Hz しかないことが示されている。^{[ 21 ] [ 22 ]}このような低速回転と降着物質の欠如は、ジェットが回転や降着によって駆動されているわけではないことを示唆しているが、ジェットはパルサーの回転軸と一直線上に並び、パルサーの実際の運動に対して垂直であるように見える。

• 
  噴射を含むプロプリッドのダイナミクスの図解
• 
  X線で捉えたケンタウルス座Aの相対論的ジェット
• 
  超大型電波望遠鏡群（VLA）が電波で観測したM87ジェット機（視野は上記の画像よりも広く、回転している）。
• 
  ハッブル・レガシー・アーカイブより、 3C 66Bの相対論的ジェットの近紫外線画像
• 
  銀河NGC 3862は、光速に近い速度で移動する銀河外の物質ジェットであり、3時の方向に見ることができる。
• 
  HH 24-26には、空のどこよりもジェット気流が集中している領域があり、その中にはジェット気流がいくつか含まれている。
• 
  相互作用する連星KXアンドロメダから噴出される双極性ジェット

• 円盤風は、広角方向への流れが遅く、ジェットと同時に発生することが多い。
• 降着円盤
• 双極性流出路
• ブランドフォード・ズナジェク過程
• ハービッグ・ハロ物体
• ペンローズ法
• CGCG 049-033は、地球から6億光年離れた楕円銀河で、これまで発見された中で最も長い銀河ジェットを持つことで知られています。
• ガンマ線バースト
• ソーラージェット

• NASA – 天体物理学者に聞く：ブラックホールの双極性ジェット
• SPACE.com – ねじれた物理学：ブラックホールはどのようにして噴出するのか
• Blandford, Roger; Agol, Eric; Broderick, Avery; Heyl, Jeremy; Koopmans, Leon; Lee, Hee-Won (2001). "コンパクト天体と降着円盤". arXiv : astro-ph/0107228v1 .
• ハッブル宇宙望遠鏡がブラックホールジェット内部での衝撃衝突を捉えた映像（記事）