銀河系外の星団に潜むブラックホールを発見:大マゼラン雲

銀河系外の星団に潜むブラックホールを発見 天文・宇宙
©ESO/M. Kornmesser

画像:太陽の11倍の質量を持つコンパクトなブラックホールと、その周りを回る5倍の太陽質量を持つ星のイメージ。この2つの天体は、天の川銀河の隣にある大マゼラン雲の中、約16万光年の距離にある数千個の星の集まりNGC1850に位置している。星の形が歪んでいるのは、ブラックホールの強い重力によるものです。ブラックホールの重力は、星の形を歪めるだけでなく、星の軌道にも影響を与えます。このような微妙な軌道の影響を見ることで、天文学者チームはブラックホールの存在を推測することができ、銀河系外の小さなブラックホールがこの方法で発見されたのは初めてのことです。今回の発見には、欧州南天天文台(ESO)の超大型望遠鏡に搭載されたMUSE(Multi Unit Spectroscopic Explorer)という装置が用いられました。

今回発見されたブラックホールは、天の川銀河の隣の銀河である大マゼラン雲の中、約16万光年の距離にある数千個の星が集まった星団NGC1850に潜んでいることがわかりました。

今回の研究を主導した英国リバプール・ジョン・ムーア大学の天体物理学研究所のSara Saracino氏は、「英国王立天文学会のMonthly Notices of the Royal Astronomical Societyに掲載されたこの研究は、虫眼鏡を片手にこの星団のすべての星を見て、ブラックホールの存在を示す証拠を見つけようとしているのと同じです。ここに示した結果は、指名手配中のお尋ね者の一人に過ぎませんが、一人を発見したならば、他の多くの銀河団を発見する道が開けているのです。」と述べています。

研究チームが見つけた最初の「お尋ね者」は、太陽の約11倍の重さであることがわかりました。

天文学者がこのブラックホールを追跡する決定的な証拠となったのは、ブラックホールの周りを回っている5倍の太陽質量を持つ星に及ぼす重力の影響でした。

これまでにも、ブラックホールが物質を飲み込んだときに発生するX線の光や、ブラックホール同士や中性子星が衝突したときに発生する重力波によって、他の銀河に存在するこのような小さな「恒星質量」のブラックホールを発見したことがあります。

しかし、恒星質量のブラックホールの多くは、X線や重力波によってその存在を示すことはありません。

ドイツのゲッティンゲン大学の研究員であるStefan Dreizler氏は、「大部分は、動的にしか存在を明らかにできません。これらが恒星と一緒にシステムを形成すると、恒星の運動に微妙な影響を与えます、その影響は検出可能なので、高性能の観測装置で見つけることができます。」と語ります。

Saracino氏らのチームが採用しているこの動的手法は、天文学者がより多くのブラックホールを発見し、その謎を解き明かすのに役立つ可能性があります。

研究の共著者であるスペインのバルセロナ大学のMark Gieles氏は、「私たちが行う一つ一つの検出が、星団とその中にあるブラックホールについての将来的な理解にとって重要になります。」と語っています。

今回のNGC1850での検出は、若い星団(星団の年齢は約1億年と天文学的には瞬く間に過ぎない)でブラックホールが発見された初めての例となります。

同じような星団に今回の力学的手法を用いることで、さらに多くの若いブラックホールが発見され、その進化の過程に新たな光が当てられる可能性があります。

また、古い星団に存在する、より大きく成熟したブラックホールと比較することで、星を摂食したり、他のブラックホールと合体したりして、ブラックホールがどのように成長していくのかを理解することができるでしょう。

さらに、星団に存在するブラックホールの特徴を把握することで、重力波源の起源についても理解が深まると考えられます。

研究チームは、チリのアタカマ砂漠にある欧州南天天文台のVLTに搭載されたMUSE(Multi Unit Spectroscopic Explorer)で2年間にわたって収集したデータを用いて、星団の探索を行いました。

「MUSEでは、星団の最深部のような非常に混雑した領域を観測することができ、その周辺にあるすべての星の光を分析することができました。MUSEのおかげで、星団の最深部などの非常に混雑した領域を観測することができました。これにより、ブラックホールの存在を示す特異な動きをする奇妙な星を発見することができたのです。」

ワルシャワ大学の光学的重力レンズ実験とNASA/ESAハッブル宇宙望遠鏡のデータにより、ブラックホールの質量が測定され、研究成果が確認されました。

チリにあるESOの超大型望遠鏡は、10年後に稼働を開始する予定で、天文学者はさらに多くの隠れたブラックホールを見つけることができるようになります。

「ELTはこの分野に革命をもたらすでしょう。同じ視野でより暗い星を観測できるようになるだけでなく、より遠くにある球状星団の中にあるブラックホールを探すこともできるようになります。」とSaracino氏は言います。

Published by ESO. S Saracino et al, A black hole detected in the young massive LMC cluster NGC 1850, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab3159