天の川銀河のブラックホール周辺に歪んだ降着円盤を発見

アマチュア天文家の協力により天の川のブラックホール周辺の歪んだ円盤の発見 天文・宇宙
Black hole with warped disc. ©John Paice

南アフリカ、イギリス、フランス、アメリカの国際的な天体物理学者のチームは、地球から9,600光年の距離にある銀河系で最も近いブラックホールの1つの周辺から見える光の明るさに大きな変化があることを発見し、これはブラックホールの降着円盤に大きなゆがみがあるためだと結論づけました。

この「MAXI J1820+070」1ブラックホールのX線トランジェント天体「MAXI J1820+070」(略称:J1820)は、愛媛大学の志達めぐみ助教、理化学研究所の中平聡志研究員をはじめとするMAXIの研究グループが、国際宇宙ステーション「きぼう」日本実験棟の船外実験プラットフォームに設置されたX線カメラ「全天X線監視装置(MAXI)」で発見しました。は、2018年3月に新しいX線トランジェント天体2X線領域で急激に増光し、1年程度かけて緩やかに減光するX線天体。近接連星系を成す中性子星やブラックホールに伴星からガスが流れ込んで降着円盤が形成され、その円盤の構造的な不安定性によりX線の増光が生じると考えられている。デジタル大辞泉として、国際宇宙ステーションに搭載された日本のX線望遠鏡によって発見されました。

これらのトランジェント天体は、太陽のような低質量の星と、白色矮星や中性子星、ブラックホールなどのよりコンパクトな天体からなる連星系です。

「MAXI J1820+070」には、太陽の少なくとも8倍の質量を持つブラックホールが存在しています。

この発見は、国際的に権威のある学術誌「Monthly Notices of the Royal Astronomical Society」に受理され、南アフリカ天文観測所(SAAO)の博士研究員であるJessymol Thomas博士が筆頭著者となっています。

この論文で紹介されている発見は、AAVSO(米国変光星観測者協会)に所属する世界中の熱心なアマチュアによって、約1年かけて得られた広範囲かつ詳細な光のカーブから得られたものです。

「MAXI J1820+070」は、これまでに観測されたX線トランジェント天体の中で最も明るい3つの天体のうちの1つです。

何ヶ月も明るい状態が続いたため、多くのアマチュアが追いかけることができたのです。

研究チームのメンバーであるサウサンプトン大学のPhil Charles教授は、「通常の星からの物質は、コンパクトな天体によって、渦巻き状のガスからなる降着円盤に引き込まれます。 大規模な爆発は、円盤内の物質が高温で不安定になり、ブラックホールに降着して大量のエネルギーを放出し、事象の地平面3あまりに重力が強いために物質だけでなく,光さえも脱出することができない天体をブラックホールという。ある面を境にして,外側からは内側に物理的影響が伝わるが,その逆の現象は起きないために,ブラックホールの中の情報を得ることはできない。この境界面を事象の地平面という。ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典を通過するときに起こります。 このプロセスは混沌としており、非常に変化しやすく、ミリ秒から数か月のタイムスケールで変化します。」と述べています。

研究チームは、このシステムの可視化図を作成しました。

それによると、巨大なX線出力がブラックホールのごく近くから発せられ、周囲の物質、特に降着円盤に照射して約1万Kの温度に加熱し、それが可視光線として放出されていることがわかります。

そのため、X線の出力が少なくなると、可視光も少なくなってしまうのです。

ところが、X線のアウトバースト(出力の増大)4X線バーストとも言うが始まってから約3ヵ月後、可視光のカーブが約17時間周期で大きな変調を起こしたのです。

しかし、X線出力にはまったく変化がなく、安定していました。

過去のX線トランジェント天体のアウトバーストでも、目に見える小さな準周期的な変動は見られましたが、これほどの規模のものはこれまでにありませんでした。

この異常な現象の原因は何なのか?

Charles氏は、「写真のような画角を持つシステムでは、X線がドナーの内側を照らしていて、増光のタイミングが悪かったという通常の説明はすぐに除外できました。 また、軌道に対してモジュレーションが徐々に移動しているため、物質移動の流れが円盤に当たる場所からの光が変化していることも原因とは考えられません。つまり、巨大なX線束が円盤に照射され、写真のように円盤が反り返っているという説明しかありません。 この反りによって、円盤を照らすことのできる面積が大幅に増え、タイミングを見計らって視覚的な光量が飛躍的に増加するのです。 このような現象は、大質量のドナーを持つX線連星では見られましたが、今回のような低質量のドナーを持つブラックホールトランジェントでは初めてのことです。 この現象は、反り返った降着円盤の構造や性質を研究する上で、まったく新しい道を開くものです。この天体は、星の進化の終着点やコンパクトな天体の形成について多くのことを教えてくれる興味深い天体群の中でも、際立った特性を持っています。 私たちの銀河系には、すでに数十個のブラックホール連星系が存在していますが、それらはすべて5~15太陽質量の範囲内にあります。 それらはすべて、私たちがここで見事に目撃した物質の降着によって成長しています。」と述べています。

5年ほど前に始まった南アメリカ大型望遠鏡(SALT)によるトランジェント天体の研究プログラムでは、「MAXI J1820+070」のようなブラックホール系を含むコンパクトな連星の重要な観測が数多く行われています。

このプログラムの主任研究員であるBuckley教授は、「SALTは、これらのX線連星の爆発中の変化する振る舞いを研究するための完璧なツールであり、数週間から数ヶ月の期間にわたって定期的に監視することができ、宇宙基地を含む他の望遠鏡からの観測と連携することができます。」と述べています。

Published by University of Southampton. Jessymol K Thomas et al, Large optical modulations during 2018 outburst of MAXI J1820+070 reveal evolution of warped accretion disc through X-ray state change, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab3033