立教大学

では、超新星残骸には、どれだけのエネルギーがどのような形態で存在し、それらがどのようなプロセスを経て星間空間に行き渡るのでしょうか。その手がかりを与えるのが、XRISMによる精密分光観測です。図1に、XRISMがファーストライト観測で取得したN132DのＸ線スペクトルを示します。ケイ素（Si）や硫黄（S）、鉄（Fe）などの「特性Ｘ線」が検出されています。今回私たちは、これらの特性Ｘ線を使った重元素の温度測定に成功し、超新星爆発の際に作られた鉄のイオンが、約100億度に達していることを明らかにしました。

NGC4151は、地球から約6200万光年の距離に位置する渦巻銀河です。その中心核には、質量が太陽の約3千万倍と推定される巨大ブラックホールがあります。NGC4151に限らず、多くの銀河の中心には、太陽の数百万倍から数十億倍という巨大な質量を持つブラックホールが存在します。巨大ブラックホールは、宇宙の初期に形成された後、周囲の物質を吸い込みながら成長したと考えられますが、いつ、どのように、どれだけの勢いで成長したかは十分に理解されていません。また、ブラックホールは周囲の物質を吸い込むだけでなく、吸い込みきれなかった物質を吹き飛ばすことで、銀河全体の進化にも大きな影響を与えると考えられています。ブラックホールもまた、宇宙における物質?エネルギー循環のキープレーヤーなのです。

それら一連のプロセスを理解する上で重要な手がかりとなるのが、ブラックホール周辺の物質分布です。一般に、明るく輝く巨大ブラックホールの周囲には、「分子トーラス」と呼ばれる塵に満ちた領域が存在することが知られます。今回XRISMの観測は、NGC4151の分子トーラスの内縁半径を約0.1光年と決定するとともに、さらに内側の物質分布まで詳しく調べることに成功しました。

この研究において威力を発揮したのが、XRISMが得意とする速度測定です。前章同様、特性Ｘ線が受けるドップラー効果を利用しました。但し、今回は熱運動によるドップラー効果ではなく、ブラックホール周囲の「公転運動」によるドップラー効果を観測します。図3に、その原理を示します。分子トーラスを含め、ブラックホールの周辺物質は、円盤状の構造をなしてブラックホールの重力圏内を公転します。この円盤を横方向（実際には斜め上方向）から見ると、円盤の片側は常に観測者（XRISM）に向かって近づき、反対側は常に遠ざかるように運動するので、それらのドップラー効果の重ね合わせによって、観測される特性Ｘ線の幅が広くなります。また、太陽の周りを公転する地球が、その外側を公転する火星や木星よりも速く運動するのと同様に、公転半径が小さいほど、すなわちブラックホールの近くの物質ほど、公転速度が大きくなります。したがって、公転速度の大きさから円盤の公転半径が求められます。