天の川銀河でこのタイプのブラックホールが発見されたのは初めてですか？

オメガケンタウリ球状星団の中心には中質量ブラックホールが隠れています。写真: ESA/ハッブル & NASA、M. Häberle (MPIA)

ブラックホールとは何ですか？天体物理学では、重力が非常に強く、境界を越えたら光さえも逃れられないコンパクトな天体であると考えられています。過去数十年にわたる観測で、天文学者は 2 種類のブラックホールを観測しました。1 つは、太陽の質量の 5 倍から 150 倍の質量を持つ恒星質量ブラックホールです。こうしたブラックホールは非常に一般的で、天の川銀河だけでも数億個ほど存在します。もうひとつは、銀河の中心に位置する、太陽の質量の数十万倍から数十億倍の質量を持つ超大質量ブラックホールです。

天文学者たちは長い間、これら2種類のブラックホールの間に中間質量のブラックホールが存在するはずだと疑ってきた。しかし、そのようなブラックホールの探索は極めて困難であることが判明しており、これまでに中質量ブラックホール候補がいくつか発見されたのみで、それらは依然として議論の的となっている。 2024年7月10日、ネイチャー誌に掲載された研究で、天文学者たちはオメガ・ケンタウリ球状星団の中心に中間質量ブラックホールが存在するという決定的な証拠を発見したと発表した。

では、なぜ中間質量ブラックホールを見つけるのはそれほど難しいのでしょうか?

まず、ブラックホール自体は光を発しないので、直接見ることはできないということを知っておく必要があります。しかし天文学者たちは、その存在を間接的に観測する方法をいくつか発見しました。

最初の方法は、ブラックホールの周囲の物質から放出される光を検出することです。宇宙にはブラックホールと恒星からなる連星系が数多く存在します。十分に近ければ、ブラックホールの強い重力が星のガスを引き寄せます。これらのガスはすべてブラックホールに直接落ちるわけではなく、ブラックホールの周りに降着円盤を形成します。降着円盤内のガスが内側に渦巻くと、熱くなり、検出可能なX線を放射します。

2 番目の方法は重力波を捉えることです。2 つのブラックホールが接近して合体すると、その質量の一部が重力波に変換され、外側に放射されます。受信した重力波信号を分析することで、合体前のブラックホールの質量を推測することができます。

3 番目の方法は、星を追跡することです。ブラックホールの重力は非常に強いため、近くの星の軌道に重大な影響を及ぼします。もし、目に見えない点の周りを回っている奇妙な動きをする星を観測できたとしたら、それはおそらくブラックホールでしょう。この方法により、天文学者は天の川銀河の中心に太陽の400万倍以上の質量を持つ超大質量ブラックホールが存在することを突き止めました。

4番目の方法は写真撮影です。科学者は世界中に散らばっている電波望遠鏡をつなげることで、銀河の中心にある超大質量ブラックホールを撮影することができます。予測通り、暗い中心領域を囲む明るいリング構造が見えるでしょう。

理論的には、これらの方法はすべて中間質量ブラックホールの探索に適しています。しかし、実際の観察では問題に遭遇するでしょう。たとえば、このようなブラックホールが最も隠れている可能性が高い場所は球状星団の中心ですが、ほとんどの星団の物質密度は実際には高くないため、ブラックホールは相互作用するガスを持たず、簡単に検出できるX線信号を放射しません。たとえば、2 つの中質量ブラックホールの合体は低周波重力波信号を放出しますが、現在の重力波検出器は低周波重力波に敏感ではありません。

この研究では、天文学者が星を追跡するために使用した方法は、地球から17,000光年離れたオメガケンタウリ球状星団に焦点を当てることだった。

オメガケンタウリには約 1,000 万個の恒星が含まれており、天の川銀河で最大の球状星団として知られています。天文学者たちは一般的に、それが天の川銀河に飲み込まれた古代の矮小銀河の中心核であると考えている。飲み込まれる過程で、矮小銀河は中心核を除くすべての星を失いました。中心にあるブラックホールも「時間的に凍結」され、成長し続けることはできず、オメガ・ケンタウリが天の川銀河に吸収されたときと同じ大きさのままになる。この仮説を検証するには、オメガケンタウリの中心にあるブラックホールを検出する必要があります。

最新の研究で、研究者たちは、オメガ・ケンタウリ球状星団の中心ブラックホールの周囲で高速で移動すると予想される星を特定できれば、決定的な証拠となるだろうと気づいた。しかし、星の動きに関する膨大なカタログを作成するのは簡単な作業ではありません。研究者たちは、ハッブル宇宙望遠鏡が撮影したオメガケンタウリ球状星団の500枚以上の画像を調べ、星団内の140万個の恒星の速度を測定した。最終的に、彼らは幸運にも、オメガ・ケンタウリ球状星団の中心の小さな領域で、オメガ・ケンタウリの脱出速度よりも速い速度で動く 7 つの星を発見しました。中心のブラックホールが追加の重力を及ぼさなければ、これらの星は星団の中心から逃げ出していたはずだ。

研究者たちは、最も速く動く5つの星について最も信頼性の高い測定を行い、そこに少なくとも太陽の8,200倍の質量を持つブラックホールが存在するはずだと計算した。まさにこれが中間質量ブラックホールです。

オメガケンタウリ球状星団の中心には中質量ブラックホールが隠れています。写真: ESA/ハッブル & NASA、M. Häberle (MPIA)

もちろん、これに疑問を呈し、そこには中質量のブラックホールではなく、はるかに小さなブラックホールの集まりがあるはずだと考える人もいます。こうした懐疑論は、高密度の恒星環境を研究することの複雑さと課題を浮き彫りにしている。したがって、オメガケンタウリ球状星団の中心に本当に中質量ブラックホールが存在するかどうかを証明するには、今後さらに観測を行う必要があるだろう。

では、なぜこれらのブラックホールを探すのでしょうか?先ほど述べた恒星ブラックホールは宇宙のいたるところに存在します。これらのブラックホールは通常、巨大な星が燃料を使い果たし、その中心核が重力の影響で最終的に崩壊したときに形成されます。もちろん、すべての恒星ブラックホールがこのように形成されるわけではありません。非常に大きな質量を持つ星の中には、直接崩壊してその全質量をブラックホールに変換するものもあります。いくつかのブラックホールは、2つの中性子星の合体によって最終的に生成されるものです。しかし、天文学者たちは、銀河の中心にある超大質量ブラックホールがどのように形成されるのかをまだ確認できていない。

現在の銀河進化の図によれば、最も初期の銀河には中規模の中心ブラックホールがあったはずで、これらの銀河が進化するにつれて、ブラックホールは時間とともに大きくなり、周囲のより小さな銀河を飲み込んだり（天の川銀河がそうであったように）、より大きな銀河と融合したりしたと考えられます。つまり、中質量ブラックホールは超大質量ブラックホールの成長の最初の種となる可能性があり、中質量ブラックホールの発見は超大質量ブラックホール形成の謎を解く一助となることが期待されます。

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: プリンシパル

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