ブラックホールは罰を受けることなく物質を飲み込むことができるのか？間違っている！磁気的に閉じ込められた降着円盤についてさらに詳しく

広大で奥深い宇宙は、数え切れないほどの科学者を魅了し、その探究に生涯を捧げています。最も神秘的なのは、暗闇の中に隠された深い「洞窟」、つまりブラックホールです。現代物理学における究極の天体であるブラックホールは、その強力な重力によって宇宙のあらゆるものを貪欲な獣のように飲み込み、光さえも逃れることができません。 1783年、イギリスの科学者ジョン・ミッシェルは「もし天体が太陽と同じ密度を持ち、太陽の500倍の大きさであれば、光はこの天体から逃げることはできない」と提唱した。同じ頃、1796年にフランスの科学者ピエール・シモン・ラプラスも著書『世界の体系』の中で同様の予測をしました。 1799年、彼は詳細な計算過程を示し、「地球と同じ密度（太陽の密度の4倍）で太陽の250倍の大きさの天体は光を閉じ込めることができる」という結論を得た。アインシュタインの一般相対性理論もそのような天体の存在を予言していました。 1967年の会議で、アメリカの物理学者ジョン・ウィーラーはこの天体を「ブラックホール」と呼んだ。

そして現在、科学者たちはブラックホールの謎を解明する道を着実に前進し続けています。最近、中国の天文学者たちはマルチバンド観測データを用いて、ブラックホール周囲の磁場輸送と磁気閉じ込めディスクの形成過程を明らかにした。この研究は9月1日、世界的に権威のある学術誌「サイエンス」に掲載された。

01 ブラックホールは見えるのか？できる！集積によりブラックホールを「見る」ことが可能になる

ブラックホールの周囲の物質は、巨大な重力によってブラックホールに「捕らえられ」ます。この現象は「ブラックホールの集積」と呼ばれます。降着物質は、自由落下のようにブラックホールに落ち込むのではなく、降着円盤を形成してブラックホールの周りを回転し、最終的にはブラックホールに飲み込まれます（サイフォン式トイレの水を想像してください）。

大質量の星は最終的に、太陽の数倍から20～30倍の質量を持つブラックホールに進化します。 2 つの星が互いの周りを回る連星系では、一方の星がブラックホールに進化した場合、もう一方の星がブラックホールに十分近づくと、その物質がブラックホールに吸収されます。形成された降着円盤は非常に高温で、最も内側の領域では数千万度にも達します。非常に強いX線を放射するため、このタイプの連星はブラックホールX線連星と呼ばれます。もちろん、その放射線はX線に限定されず、電磁波帯のほぼ全体をカバーします。

天文学者たちは、銀河系の連星系に数千万個のブラックホールが存在する可能性があると推定しているが、これまでに発見されたのは数十個に過ぎない。おそらく、それらのほとんどが伴星から物質を吸収していないか、あるいはごく少量しか吸収していないため、私たちには「見えない」のかもしれない。

ほとんどのブラックホールX線連星は長期間静止状態を保ち、ブラックホールによって吸収される物質は少量のみです。降着円盤内に物質が蓄積され、ある臨界点に達すると、降着円盤の不安定性が引き起こされ、爆発状態になります。大量の物質が降着円盤の内側の領域に入り込み、強いX線を放射し、最終的にブラックホールに落ち込みます。爆発時の明るさは、静止状態に比べて数万倍、あるいは数百万倍にまで増加することがあります。

2018年3月、地球から約1万光年離れたブラックホールX線連星MAXI J1820+070が爆発状態に入った。爆発のピーク付近では、空で最も明るいX線源でした（ビデオ1を参照）。世界中の多くの望遠鏡が電波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線を含むバーストを監視した。我が国初のX線天文衛星「インサイト」もこの爆発現象の継続的な監視を実施しました。天文学者は、これらの膨大な観測データに基づいて、ブラックホールの特性やその集積、ジェットなどを研究することができます。

ビデオ 1: 各ドットは X 線源であり、ドットのサイズは明るさを表します。赤い点はブラックホールのX線連星MAXI J1820+070で、下の曲線はその明るさの時間変化を示しています（天の川銀河の背景はESA/Gaia/DPAC提供）。

02 降着円盤はどのように動くのか？どれくらいの量の物質が集積できるのでしょうか?ブラックホールの周囲の磁場は大きな影響力を持っています。

磁場は宇宙のいたるところに存在します。私たちの太陽には磁場があります。穏やかな地域の磁場は1〜2ガウス程度ですが、太陽黒点地域の磁場は3000〜4000ガウスに達することがあります。マグネターと呼ばれる天体の一種は、宇宙で最も強い磁場を持ち、その磁場は10の15乗ガウスに達します。

ブラックホール無毛定理によれば、ブラックホール自体は磁場を運びません。ブラックホールに吸収された物質は通常、磁場を運ぶプラズマ状態にあります。これらの無秩序な微視的磁場により、物質は角運動量を失って徐々にブラックホールに落ち込んでいきます。

ブラックホールの周りには大規模な磁場が存在するはずだと人々は信じています。重要な理由の 1 つは、ジェットの生成には大規模な磁場が必要であることです。この大規模な磁場内で荷電粒子が移動すると、生成される放射線は偏光します。電波偏波観測により、超大質量ブラックホールのジェット内には実際に大規模な磁場が存在することがわかっています。

2021年に公開されたM87銀河中心の超巨大ブラックホールの偏光写真では、ブラックホール付近にも大規模な磁場が存在することが分かりました（図1）。天の川銀河にあるブラックホールのX線連星については、近いにもかかわらず、ブラックホールが小さすぎるため、現在の望遠鏡では撮影できません。

大規模磁場の存在は、ブラックホール付近の降着流、例えば視線速度（ブラックホールに向かう移動）や降着率（単位時間あたりに降着する質量）に大きな影響を与え、また非常に強い流出（物質が外側に移動する）も生み出します。したがって、磁場の存在は他の多くの観測効果をもたらすことになります。

図1. M87銀河中心の超大質量ブラックホールとそのジェットの偏光観測画像。湾曲した明るい縞模様は、大規模な磁場の分布を示しています。上の画像は 1,300 光年規模のジェット、真ん中の画像は 0.25 光年規模のジェット、下の画像はブラックホールの周囲 0.0063 光年 (400 AU) 規模のジェットです。 (画像クレジット: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; JC Algaba, I. Martí-Vidal)

03 「クレイジー」な降着：磁気的に閉じ込められた降着円盤の形成

天文学者は一般的に、降着円盤の外側の領域に比較的弱い大規模な磁場があり、それが降着の流れとともに内側に移動すると考えています。ブラックホールは物質を「飲み込む」だけで磁場を「飲み込む」わけではないので、磁場はブラックホールの近くに蓄積され、徐々に増加します。

移流優勢降着流 (ADAF) と呼ばれるタイプの降着流があり、その名前が示すように、物質が非常に速くブラックホールに落ち込みます。弱い外部磁場は降着流に引きずられ、ブラックホールの近くで急速に増加します。磁場が物質に及ぼす電磁力がブラックホールの重力に対抗できる場合、物質がブラックホールに落ちる速度は大幅に低下し、磁場に閉じ込められるのと同じように、元の速度のわずか 10 分の 1 または 100 分の 1 になる可能性もあります。これは磁気停止ディスク (MAD)と呼ばれ、「クレイジー」な降着流です。

武漢大学、浙江大学、中国科学院上海天文台の研究者らは、ブラックホールX線連星MAXI J1820+070の爆発からのマルチバンドデータを分析し、放射状に優勢な降着流の段階的な拡大と磁場輸送のプロセスを明らかにした。計算結果によれば、わずか10日間でその大きさは30倍に拡大した。サイズが大きいほど、外部の弱い磁場を降着流の内側領域に素早く持ち込むことが容易になり、最終的には最内側領域の磁場強度が磁気的に閉じ込められた降着円盤の基準に達するようになります（動画2）。

ビデオ 2: 放射状に支配された降着流が拡大するにつれて、磁場が急速に降着流の内側領域にもたらされ、最終的に磁気的に閉じ込められた降着円盤 (MAD) が形成されます。このビデオは論文 https://doi.org/10.1126/science.abo4504 からのものです。

日常生活とは何の関係もないように見えるブラックホールは、宇宙の起源、進化、構造を研究する上で重要な課題の一つであり、科学技術の進歩、さらには人間の生産や生活様式にも大きな影響を及ぼします。今日、人類の時間と空間に対する理解はまだまだ完全とは言えません。未知の世界を探求する気持ちが、科学者たちに宇宙の限界についての思考の束縛を大胆に打ち破ろうとする意欲を駆り立て、さらなる偉大な発見を生み出しています。

著者：ヤン・ジェン、中国科学院上海天文台研究員

査読者: 武漢大学物理科学技術学院准教授、You Bei

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社