プラズマ宇宙 ── 電波銀河と超光速ジェットの形成
プラズマ宇宙：電波銀河と超光速ジェットの形成
Plasma Universe: Formation of Radio Galaxies and Superluminal Jets
前編では、プラズマ宇宙について簡単に説明した。そして、ペラットが銀河系規模のフィラメントとその相互作用を見ることに興味を持ったことを述べた。
彼は、長距離の引力によってフィラメントが互いに引き寄せられ、それが２〜３本のフィラメントで起こることがほとんどであることを見抜いた。
長距離引力の進化による渦巻き銀河の誕生
このパートでは、この概念をさらに詳しく調べ、二重電波銀河やクェーサーをまったく別の方法で説明できることを理解することができる。それでは、さっそく見ていきましょう。
二重電波源
二重電波銀河の存在は、宇宙論的理論に大きな挑戦をもたらしてきた。これらの天体の発見は、リーバーが行った先駆的な調査にさかのぼる。
彼は、はくちょう座とカシオペア座に二つの明るい電波天体を発見した。白鳥座Ａは、白鳥座の中で最も明るい電波源である。
電波銀河のモデルの多くは、この天体の特徴に基づいている。電波銀河の存在には様々な理論やモデルがあるが、その存在を説明するモデルで必要とされる成分が何であれ、どの電波源からも観測されるのはシンクロトロン放射であり、磁場の中に相対論的な電子が存在していればよいのである。
二重電波銀河に関する説得力のある理論は、以下のことを説明することが求められるはずである。
Ⓐ 二重電波銀河の起源とエネルギー源
Ⓑ 観測された電波のフラックスの大きさの総和
ⓒ 測定された磁束密度を周波数の関数で表したもの
Ⓓ 観測された形状、特に放射のホットスポットと、ひとつの巨大な電波ローブから楕円の中心を通る仮想軸からずれたローブ
Ⓔ クエーサーや強力な天体におけるジェットの不釣り合い（片方に偏っている）
Ⓕ 光より速く動くと思われる天体がある
Ⓖ 一部のジェットがほぼ均一にフェーディング（減退）する問題
Ⓗ 測定された放射線の偏光特性。そして最後に、
Ⓘ ソースの寿命と進化。
ペラットはシミュレーションに以下のパラメータを使用した。
隣接する挟まれたビルケランド・フィラメント間の長距離引力が数フィラメント半径以上に近づくと、それぞれが感じる短距離斥力がフィラメント内のシンクロトロン放射相対論的電子電流の再分布を引き起こす。その結果、フィラメントの外縁にリング状の電流密度が増加し、縁が明るくなる。
また、この引力と斥力によるダンスは、フィラメント同士のねじれを引き起こし、電流密度のズレを生じさせる。
また、電流チューブが扁平になりシートビームになることで、さらにフィラメント化が進む傾向にある。
電子を放出するシンクロトロンが密集した断面領域はホットスポットと呼ばれ、二重電波銀河のようなものである。
ビルケランド電流を駆動する起電力が存在する間、軸方向電流と関連する方位磁場の両方が増加する。これにより、ここに示すような磁場エネルギーの分布の変化が生じる。
シーケンスを続けると、最初は強かった電波源が中心軸の周りを回転し続け、著しく弱くなることがわかる。
強い古典的な二重電波銀河の初期形状は、相互作用するビルケランド・フィラメントの磁気エネルギー密度に大きく左右される。
その後、二重電波銀河はより複雑なパターンを示すようになるが、これは等圧線間に閉じ込められたプラズマの誘導加速の結果である。
各フィラメントの周りの軸方向電流とその結果生じる方位磁場が大きくなると、磁場は集中し、この強さを等圧線で表すと次のようになる。
このように磁場が衝突することで、断面が楕円形の等圧のサンプ（"水溜り"）ができる。
これらの収束する磁力線は、銀河系プラズマを圧縮して、楕円形のサンプの両側に形成された二つの狭いチャンネルに押し込む。
この段階では、このシミュレーションでは右側にチャネル（溝）が存在する。
宇宙プラズマ媒質からのプラズマの凝縮には二つのメカニズムがある。電流を通すフィラメント内でのプラズマの挟み込みと、
フィラメント間でのプラズマの捕獲と圧縮である。
フィラメント内では、プラズマの半径方向内側への対流速度は、フィラメント間の引力の３倍の速さである。サンプの領域での等圧の圧縮のおおよその速度は、この９倍である。このことから、巨大な電波ローブの間に位置する特異な銀河が、その中央部にダストレーンを持つ場合によく見られるように、入射プラズマが二つの巨大なシンバルを閉じるような形に近いことがわかる。
この対流速度は時間とともに減少し、圧縮速度はサンプの中で圧力平衡に達するまで増加する。ペラットは、シミュレーションの空間分解能の要求から、このサンプ内のプラズマの挙動をシミュレーションしていないということが重要である。
エリック・ラーナー（『ビッグバンはなかった』の著者）はこの状態を詳しく研究し、高密度プラズマの焦点におけるピンチ領域との類似性を指摘している。この点については、今後のビデオで紹介する予定である。
銀河系プラズマが隣り合うビルケランド電流の間で捕捉・圧縮される現象は、シンクロトロン放射の観測的証拠から見るのが最も適切である。
ここでは、中心天体が存在しない二重天体を見ることができる。
一方、フィラメント間の幾何学的な中心やその近くに、大きな赤方偏移の天体が形成されている天体を示している。
ここでも、中心天体が銀河系であることが確認され、通常大きな赤方偏移を持ち、一般に楕円形や特異な形態を持つ二重天体が形成されていることがわかる。
顕著なのは、シンクロトロン放射の片寄りが生じていることである。見てわかるように、サンプまたはコアの右側で等圧チャネルが形成され始めている。
このチャネル（溝）は形成され続け、狭くなっていく。その後、収束する磁力線の形態が右側のチャネルをサポートしなくなり、左側に新しいチャネルが急速に形成される。
このチャネルに閉じ込められたプラズマ電子が、観測されるシンクロトロン放射の原因である。
チャネルプラズマからのシンクロトロン放射は、チャネル内の誘導磁場の極性が正しく整列している場合にのみ可能であることを理解することが重要である。
つまり、外側の観測者がシンクロトロン放射を見るためには、スクリーンに電界が向けられている必要がある。
つまり、時刻Ｔ=255では、左側のチャネルの電界成分はスクリーンの外側に向けられており、より明確に定義された右側のチャネルの強い電界成分はスクリーンの内側に向けられていることがわかる。
この光源は、強いコアに接続されたチャネルまたは"ジェット"のような放射パターンをスクリーンから投影している。これは、外側のラジオローブを構成する電子ビルケランド電流からのシンクロトロン放射が照射される方向でもある。
誘導磁場の急激な空間変化と、磁場の極性がチャネルに沿って変化することにより、磁場がチャネルに閉じ込められたプラズマを掃引する際に、明らかに光よりも速い、あるいは超光度効果が発生する。
このような超光度は、しばしば電波源と関連している。シミュレーションの結果、光速の７倍の超光度を観測することができた。超光度の源となる照明の電磁波効果は、1980年にケラーマンが論文「電波銀河とクエーサー」で初めて示唆したものである。
この場合のビームの左側は密度の高いコアに縛られているが、右側は自由に折りたたむことができる。この構成は、M87や3C273のような天体から見えるものと一致している。
銀河系外あるいは実験室内のシートビームの曲がりは、ビームの力学が直線的な剛体ローターから非線形な渦を巻くビームに変化する場所を示している。通常、この変化は、ビームが長軸に対して10～30度回転したときに起こる。
シートビームは、収束する等圧線の間で生成され、誘導加速されてスクリーンの外や中に入っていくことを認識することが重要である。
では、これは本当にジェットが出ているのだろうか？
ジェットという言葉は、1918年にカーティスによって、楕円銀河M87の中心から突き出た細長い光学的特徴を表すために、天体物理学で初めて使われた。その後、バーデとミンコフスキーは、このようなジェットは、コアの何らかの活動期の後に物質が放出されることに対応しているのではないかと示唆した。
ジェットは、二重電波銀河やクェーサーだけでなく、光学銀河の核に位置する中心的なコンパクト電波源でも発見されている。
ジェットが放つシンクロトロン放射は、波長数センチからＸ線までの幅広い波長域で測定されている。
しかし、観測の分解能や統計量が向上したにもかかわらず、ジェットや電波源に秩序あるストリーミング運動が存在するという決定的な直接証拠はまだ得られていない。
さらに、ジェットやブリッジと呼ばれる構造物が存在するかどうかも不明である。
チャネルを横切る誘導電磁界が変化することで、閉じ込められたプラズマが明るくなったり消えたりする。M87のジェットが時間とともにどのように進化してきたかを調べると、ジェット自体は動いていないが、代わりに明るさが変化し、一般的には薄くなっていることがはっきりとわかる。
ペラットは、1952年までさかのぼる記録にアクセスすることができ、ジェット全体の強度が少なくとも2.5等級低下していることを測定することができたが、全体の形状に変化は見られなかった。これは、チャネル全体で多かれ少なかれ均一にフェーディングが起こっていることを示している。しかし、ジェットの少なくとも一部が動いているように見える画像もあるが、これは誘導電磁界がその中を通過する際に一部が光っているだけの可能性もある。
ビルケランド電流がねじれ続けることで、銀河が時間とともに進化して渦巻き銀河になることを説明することができるので、このことと全体のコンセプトについての議論は最終回まで残しておきたいと思う。
──おわり
最後までお読みいただき、ありがとうございました。