これはブラックホールが星を摂食した時の様子です。

ブラックホールが星を摂食した時の様子天文・宇宙
©NASA/JPL-Caltech

米国アリゾナ州の天文学者は、X線フレアの観測データを分析し、理論モデルに当てはめて、不運な星と中質量ブラックホールの運命的な出会いを記録しました。

ブラックホールと幼児の間にはあまり共通点がないように思われますが、ある面では驚くほど似ています。

どちらも食べ散らかすので、食事をした証拠が十分に残っているのです。

しかし、パスタを食べたり、ヨーグルトを食べたりするのとは異なり、ブラックホールは気が遠くなるような大きさの食べ残しをします。

ブラックホールが星を飲み込むと、天文学者が「潮汐破壊現象」と呼ぶ現象が起こります。不運な星の破砕に伴って放射線が放出され、ブラックホールが存在する銀河内のすべての星の光を数か月から数年にわたって照らし出すことができます。

The Astrophysical Journal誌に掲載された論文では、アリゾナ大学スチュワード天文台の博士研究員であるSixiang Wen氏率いる天文学者チームが、「J2150」と呼ばれる潮汐破壊現象から放出されるX線を用いて、ブラックホールの質量とスピンの両方を初めて測定しました。

このブラックホールは、これまで観測されていなかった中間質量ブラックホールという特殊なタイプのものです。

論文の共同執筆者であるAnn Zabludoff教授(米国アリゾナ州天文学)は、「このブラックホールが星を食べているところを捉えることができた事実は、そうでなければ見えないものを観察する素晴らしい機会を提供します。それだけでなく、このフレアを解析することで、銀河の中心にあるブラックホールの大部分を占めるかもしれない、このとらえどころのないブラックホールのカテゴリーをより深く理解することができました。」と述べています。

J2150のフレアを観測したX線データを再解析し、洗練された理論モデルと比較することで、このフレアが実際に、不運な星と中間質量ブラックホールの遭遇から生じたことを示しました。

この中間質量ブラックホールは、ブラックホールとしては非常に質量が小さく、太陽の約1万倍の重さです。

「死んだ星の破片でできた内側の円盤からX線が放出されていることから、このブラックホールの質量と回転数を推定することができ、中間型ブラックホールに分類することができました。」とWen氏は語っています。

潮汐破壊現象は、超大質量ブラックホールを持つ大銀河の中心部では数十回、中間型ブラックホールを持つ可能性のある小銀河の中心部でも数回観測されています。

しかし、これまでのデータは、個々の潮汐破壊現象が中間型ブラックホールによって引き起こされたことを証明するほど詳細ではありませんでした。

この図は、超大質量ブラックホールが星の物質を引き裂いている様子を示しています。ブラックホールの周りには、食事をした後にパンくずが散らばる幼児の皿のように、塵の輪ができている。©NASA/JPL-Caltech

共同執筆者であるエルサレムのヘブライ大学の上級講師、Nicholas Stone氏は、「現代の天文学的観測のおかげで、天の川銀河と同程度かそれ以上の大きさのほとんどすべての銀河の中心に、中心的な超巨大ブラックホールが存在することがわかっています。超巨大ブラックホールの大きさは、太陽の100万倍から100億倍にも及び、その周辺に星間ガスが大量に降り注ぐと、強力な電磁波の発生源となります。」と語ります。

これらのブラックホールの質量は、そのホストである銀河の総質量と密接に相関しており、最大の銀河は最大の超巨大ブラックホールをホストしています。

「天の川よりも小さな銀河の中心にブラックホールが存在することについては、まだほとんど分かっていません。観測装置の限界により、100万太陽質量よりもはるかに小さい中心ブラックホールを発見することは困難です。」と、共著者であるラドバウド大学およびSRONオランダ宇宙研究所のPeter Jonker氏は述べています。

超巨大ブラックホールは、その存在が推定されているにもかかわらず、その起源はいまだに解明されておらず、現在、さまざまな説が飛び交っているとJonker氏は言います。

中質量ブラックホールは、超巨大ブラックホールが成長するための種になるかもしれません。

「ですから、本物の中間質量ブラックホールがどれくらい存在するのかをより正確に把握できれば、超巨大ブラックホールの形成に関するどの理論が正しいのかを判断するのに役立つでしょう。」とJonker氏は述べています。

さらに、Zabludoff氏は、J2150のスピンを測定できたことにも注目しています。

このスピンの測定は、ブラックホールがどのようにして成長するのか、さらには素粒子物理学の手がかりにもなるといいます。

潮汐破壊現象

星がブラックホールに近づきすぎると、重力の影響で激しい潮汐が発生し、星がガスの流れに分解され、潮汐破壊現象と呼ばれる大規模な現象が起こる。膨大なエネルギーが放出されるため、場合によっては銀河系を凌駕するほどのエネルギーが放出される。©NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

「このブラックホールは速いスピンを持っていますが、可能な限り速いスピンというわけではないので、どうやってこの範囲のスピンを持つようになったのかという疑問があります。ブラックホールがそのように形成されてからあまり変化していない可能性もありますし、2つの中質量ブラックホールが最近合体してこのようなブラックホールになった可能性もあります。」とZabludoff氏は説明します。

「私たちが測定したスピンは、ブラックホールが長い時間をかけて着実にガスを食べて成長した場合や、ランダムな方向からやってくるたくさんの素早いガスを食べて成長した場合のシナリオを除外していることがわかっています。」

さらに、今回のスピン測定により、宇宙の物質の大部分を占めると考えられている暗黒物質の性質についての仮説を検証することができます。

暗黒物質は、実験ではまだ見られない未知の素粒子で構成されている可能性があります。

その候補として、超軽量ボゾンと呼ばれる仮説的な粒子があるとStone氏は説明します。

「もしそのような粒子が存在し、ある範囲の質量を持っていれば、中程度の質量のブラックホールが速いスピンを持つことを妨げることになります。しかし、J2150のブラックホールは高速で回転しています。今回のスピン測定により、超軽量ボゾン理論の広範なクラスが否定され、素粒子物理学の地球外実験室としてのブラックホールの価値が示されたのです。」

「将来的には、潮汐破壊現象の新しい観測によって、天文学者がブラックホールの質量分布のギャップを埋めることができるかもしれない。」と著者らは期待しています。

Stone氏は、「もしほとんどの矮小銀河に中程度の質量のブラックホールが存在することがわかったら、恒星の潮汐破壊の割合はそのブラックホールが支配的になるでしょう。」と述べています。

「このフレアからのX線放射を理論モデルにあてはめることで、宇宙に存在する中質量ブラックホールの調査を行うことができます。」とWen氏は付け加えました。

しかし、そのためには、より多くの潮汐破壊現象を観測する必要があります。

そのため、天文学者たちは、地上と宇宙の両方で近々稼働する新しい望遠鏡に大きな期待を寄せています。NSFヴェラ・C・ルービン天文台、別名「Legacy Survey of Space and Time」(LSST)は、年間数千の潮汐破壊現象を発見できると期待されています。

Published by University of Arizona. Sixiang Wen et al, Mass, Spin, and Ultralight Boson Constraints from the Intermediate-mass Black Hole in the Tidal Disruption Event 3XMM J215022.4–055108, The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-4357/ac00b5
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