物理学者が初の「三重ブラックホール」を発見？なぜこれがそんなに珍しいのでしょうか?

著者: ゴウ・リージュン

ブラックホールは常に一般の人々の間で人気の話題です。宇宙では、恒星ブラックホールは、多くの場合、激しい超新星爆発やより穏やかな「直接的な崩壊」を通じて、大質量星の中心核の崩壊によって形成されます。前者は、ブラックホールまたは中性子星に、より明らかな「誕生キック」を与えることになります。つまり、ブラックホールは誕生時の非対称爆発によって余分な速度を獲得するのです。しかし、ブラックホールが一般的に誕生のきっかけを持つかどうか、またそれが周囲の天体にどのような影響を与えるかは謎のままです。最近、科学者によるV404 Cygni 系の研究により、恒星質量ブラックホールの三重系構造が初めて明らかになり、古典的なブラックホール形成理論に新たな挑戦がもたらされました。みなさんこんにちは。中国科学院国立天文台の郭立軍です。今日はブラックホールの最近の発見についてお話します。

先ほど、恒星ブラックホールの起源に関する 2 つの主なモデルは、超新星爆発と直接的な崩壊であると述べました。超新星爆発は、核燃料を使い果たした大質量星の重力崩壊によって引き起こされる激しい爆発です。非対称性により、強い衝撃波が発生し、通常、ブラックホールまたは中性子星は、英語でナタルキックと呼ばれる、それほど小さくない「誕生キック」を受けることになります。しかし、この爆発により周囲の物体もシステムから放出されることになる。相対的に言えば、直接的な崩壊は、激しい衝撃波や衝撃を生じないより穏やかな崩壊過程であり、そのため、近くの伴星は重力の影響下で比較的安定した状態を保つことができる可能性がある。

宇宙で知られているブラックホール系のほとんどは、ブラックホールと伴星が重力で結びついた構造で共存する連星系です。たとえば、最初に発見されたブラックホール連星系である白鳥座X-1系は、典型的なブラックホール伴連星系です。連星系の広範囲にわたる存在はブラックホールの進化を理解する手がかりとなりますが、三重星系は非常に稀です。例えば、おなじみのプロキシマ・ケンタウリは三重連星系に属していますが、ブラックホールを含む三重連星系は非常にまれです。しかし、つい最近10月23日、有名な学術誌「ネイチャー」に研究結果が掲載され、天文学者らは初めて、V404 Cygni がブラックホールを含む三重星系であることを確認した。

V404 Cygni は、全天の 88 星座の 1 つである白鳥座にあり、地球から約 7,800 光年離れています。これまでは、ブラックホールと太陽よりも質量が小さい近くの伴星からなる、典型的な低質量X線連星であると考えられていました。伴星はブラックホールの近くを周回しており、公転周期はわずか約 6.5 日です。しかし、最新の観測により、これまで考えられていた系に加えて、ブラックホールから約3,500天文単位離れた遠方の伴星も系内に存在することが判明した。これにより、V404 Cygni は階層的な三重星系になります。ブラックホールと近くの伴星が中心となる連星を形成し、遠方の伴星がこの中心となる連星の周りを公転します。この構造は非常に珍しく、中心の連星にあるブラックホールは、形成されたときの誕生キックによって遠くの伴星を分散させなかったことから、ブラックホールは低キックまたは無キックの崩壊過程で形成された可能性があることを示しています。研究によると、ブラックホールの蹴り速度は秒速5キロメートル未満で、遠くの伴星を系から引きずり出すには不十分だという。ブラックホールは直接的な崩壊過程を経て形成された可能性があり、その起源となる恒星は激しい超新星爆発を経験せず、ゆっくりとブラックホールに崩壊したのではないかと推測されている。この低い誕生キックにより、外側の伴星の軌道を乱すことなくブラックホールが形成されることになり、直接崩壊モデルを裏付けています。ここで注目すべきは、数年前に私たちがはくちょう座X-1を研究した際に、はくちょう座X-1の祖先星は激しい超新星爆発を起こさず、ごくわずかな物質を放出しただけで、最終的に崩壊してはくちょう座X-1のブラックホールを形成したということもわかったことです。この観点から見ると、2つのブラックホールの形成プロセスは似ています。

研究チームはまた、この系内の遠方の伴星が主系列段階から進化していることを発見し、この系が30億年から50億年前に形成されたことを示唆している。ブラックホールは形成後の長い期間に、中心となる伴星から約 0.5 太陽質量の物質を吸収し、中心となる連星が徐々に現在の状態に進化しました。この安定した階層的な三重星構造は、低出生キック理論と一致しており、ブラックホールが直接的な崩壊によって形成され得ることをさらに証明しています。

V404 Cygni の発見は、ブラックホール形成の古典理論に大きな挑戦を提起しています。従来の超新星爆発モデルによれば、大質量星がブラックホールを形成すると激しい衝撃波が伴い、周囲の星や他の天体が重力結合を維持することが困難になる。 V404 Cygni の遠方の伴星はブラックホールの形成過程で大きな乱れを受けなかったことから、ブラックホールが大きな「誕生の衝撃」を受けなかったことが示唆される。これは、直接崩壊モデルが恒星質量ブラックホールの低誕生キックの特性を説明するために適応できることを意味します。

さらに、V404 Cygni の階層的な三重連星構造は、三体進化を伴う低質量 X 線連星形成モデルを支持しています。このモデルでは、遠方の伴星と中心連星の間の重力相互作用により、中心連星の軌道が徐々に狭くなり、最終的にコンパクトな低質量X線連星が形成されます。この重力相互作用により、内部軌道が徐々に狭くなり、システムの安定性が維持されます。

V404 Cygni の発見は、ブラックホールの形成メカニズムと進化経路の研究に貴重な新たな知見をもたらします。この発見は、恒星崩壊型ブラックホールが、非常に小さな「誕生の衝撃」による直接的な崩壊によって形成される可能性があることを示唆している。このプロセスは、これまで予想されていたよりも宇宙では一般的である可能性があります。直接崩壊理論は、ブラックホールの低キック特性を説明する上で利点を示し、恒星質量ブラックホールの形成メカニズムの多様性を明らかにします。

今後さらに観測を進めれば、科学者は他の同様の三重ブラックホール系を発見し、ブラックホールの形成と進化のモデルをさらに裏付けることができるだろう。 V404 Cygni の独自性により、ブラックホールの形成と進化のプロセスを再検討できるだけでなく、宇宙のブラックホール システムの複雑さを理解するための前例のない洞察も得られます。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: ゴウ・リージュン

査読者：中国科学院上海天文台研究員 ハン・ウェンビオ

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司