【解明】ブラックホールの大きさは摂食パターンでわかる

天文・宇宙

ブラックホールの摂食パターンから、その大きさを知ることができると研究者が報告しました。新しい研究では、活発に摂食する超巨大ブラックホールで観測される明るさの明滅が、その質量に関係していることが明らかになりました。

超巨大ブラックホールは、太陽の数百万倍から数十億倍の質量をもち、通常は大質量銀河の中心に存在しています。超巨大ブラックホールは、周囲のガスや星を食べていない休眠状態では、ほとんど光を発しません。天文学者がそれらを検出できる唯一の方法は、それらの近くの星やガスへの重力の影響を通してです。しかし、超巨大ブラックホールが急速に成長していた初期の宇宙では、超巨大ブラックホールは活発に物質を取り込み、膨大な量の放射線を放出しており、時には超巨大ブラックホールが存在する銀河全体を照らし出していたといいます。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の天文学大学院生コリン・バークとシェン・ユエ教授が主導した今回の研究では、活発に物質を供給している超巨大ブラックホールの質量と、光の明滅パターンの特徴的なタイムスケールとの明確な関係が明らかになりました。この研究成果は、米国の科学誌「Science」に掲載されました。

降着している超巨大ブラックホールから観測される光は一定ではありません。まだ解明されていない物理的プロセスにより、数時間から数十年のタイムスケールでユビキタスな明滅を示しています。バーク教授は、「観測された明滅と超巨大ブラックホールの質量との関係を調べた研究は数多くありますが、その結果は決定的なものではなく、時には議論の的になることもありました」と述べています。

研究チームは、活発に活動している超巨大ブラックホールの大規模なデータを収集し、フリッカー現象の変動パターンを調べました。その結果、パターンが変化する際の特徴的なタイムスケールが、超巨大ブラックホールの質量と密接に関連していることを突き止めました。さらに、太陽のような星の残骸である白色矮星が降着した場合と比較したところ、白色矮星の質量は超巨大ブラックホールの数百万倍から数十億倍であるにもかかわらず、同じタイムスケールと質量の関係が成り立つことを発見したのです。

この光の明滅は、ブラックホールの摂食過程におけるランダムな変動であると研究者らは述べています。天文学者は、変動のパワーを時間軸の関数として測定することで、この明滅パターンを定量化することができます。降着している超巨大ブラックホールの場合、変動パターンは短いタイムスケールから長いタイムスケールへと変化します。この変動パターンの変化は、より巨大なブラックホールではより長い特徴的なタイムスケールで起こります。

研究チームは、ブラックホールの摂食を私たちの飲食活動に例え、この変化を人間のゲップになぞらえました。赤ちゃんはミルクを飲むときに頻繁にゲップをしますが、大人はもっと長い時間ゲップを我慢できます。ブラックホールも同じように、食事中にゲップをしているのではないかと考えられます。

「これらの結果は、中心となる天体が超巨大ブラックホールであっても、より軽量な白色矮星であっても、降着時の明滅を駆動するプロセスは普遍的であることを示唆しています」とシェン氏は述べています。

フラットアイアン研究所の研究員で研究の共同執筆者であるヤンフェイ・ジャン氏は、「観測された光の明滅と降着天体の基本的な性質との関連性が確実に示されたことで、降着プロセスの理解が深まることは間違いありません」と述べています。

天体物理学上のブラックホールには、質量や大きさの異なるさまざまな種類があります。太陽の数十倍以下の重さの恒星質量ブラックホールと超巨大ブラックホールの間には、太陽の約100~10万倍の重さの中間質量ブラックホールと呼ばれるブラックホールの集団があります。

中間質量ブラックホールは、宇宙の歴史の中で大量に形成されると予想されており、後に超巨大ブラックホールに成長するために必要な種を提供しているのかもしれません。しかし、観測的には、このIMBHの集団は驚くほどとらえどころがない。議論の余地なく確認されている中間質量ブラックホールは1つだけで、その重さは太陽の質量の約150倍です。しかし、その中間質量ブラックホールは、大質量ではない2つのブラックホールが合体したときに発生する重力波によって偶然発見されたものです。

バーク氏は、「明滅パターンと中心となる降着天体の質量に相関関係があることがわかったので、それを利用して中間質量ブラックホールからの明滅信号がどのようなものかを予測することができます」と語っています。

チリのベラ・C・ルービン天文台が実施する「Legacy Survey of Space and Time」は、2023年後半から10年かけて天空を調査し、数十億個の天体の光の明滅データを収集します。

イリノイ大学の天文学教授であるシー・リウ氏は、「LSSTのデータセットを利用して、中間質量ブラックホールの降着に一致する明滅パターンを探索することは、長い間、謎に包まれていたこのブラックホールの集団を発見し、完全に理解する可能性があります」と述べています。

本研究は、天文学・物理学教授のチャールズ・ガミー氏、天文学ポスドク研究員のチアン・ヤン氏、イリノイ大学先端宇宙研究センターのほか、カリフォルニア大学サンタバーバラ校、セントアンドリュース大学(英国)、フラットアイアン研究所、サウサンプトン大学(英国)、米国海軍兵学校、ダラム大学(英国)の研究者との共同研究です。

また、バーク氏、シェン氏、リウ氏の3名は、イリノイ州の国立スーパーコンピューティング・アプリケーション・センターの天体物理学調査センターに所属しています。

本研究は,米国国立科学財団,科学技術施設評議会,イリノイ大学院サーベイ科学フェローシップの支援を受けています。

Great Source:ScienceDaily,DOI: 10.1126/science.abg9933

 

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