深くロマンチックな、人類はブラックホールの目覚めを目撃したかもしれない

制作：中国科学普及協会

著者: 李振珍 (中国科学院上海天文台)、石学草 (上海科学技術教育出版社)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国の先端技術プロジェクトは、認識の限界を広げるために、「未知の領域」と題する一連の記事を立ち上げ、深宇宙、深地球、深海などの分野で限界を突破した探査結果を概観しています。科学的発見の旅に出て、驚くべき世界を知りましょう。

少し前、ヨーロッパ南天天文台とチリのミレニアム天体物理学研究所の天文学者たちは、人類が初めて銀河の中心にある超大質量ブラックホールの「目覚め」の過程を観測した可能性があると報告した。

この超大質量ブラックホールは、地球から 3 億光年離れたおとめ座の楕円銀河 (SDSS 1335+0728) の中心に位置し、その質量は太陽 100 万個に相当します。過去数十年にわたる観測期間中、それは静かな休眠状態にあった。 2019年12月から非常に活発になり、今日まで続いています。この発見は「SDSS 1335+0728: 百万質量ブラックホールの覚醒」というタイトルで科学誌「Astronomy & Astrophysics」に掲載された。

SDSS 1335+0728 銀河核が明るくなる

(画像提供: ヨーロッパ南天天文台)

ブラックホールとは何ですか？

ブラックホールは宇宙の極端な重力の産物です。質量を持つ物体は一般に、外界に対して引力、つまり重力を及ぼします。質量の大きい天体は、自身の強い重力によって周囲の物体をその近傍に縛り付けることができます。物体が天体の重力から逃れようとする場合、より速い速度が必要です。例えば、ロケットが地表から打ち上げられた場合、ロケットの速度が秒速11.2キロメートルを超えると、地球の重力から解放され、宇宙に進出することができます。天体が周囲に及ぼす重力が強くなるほど、その周囲から離れるのに必要な速度も大きくなります。

天体の重力が、宇宙で最も速く移動する物体である光でさえもそこから逃れられないほど強い場合、その天体はブラックホールと呼ばれます。

このような強い重力効果を生み出すには、天体は大きな質量と小さな半径を持っている必要があります。私たちの宇宙では、いくつかの巨大な星が進化し、最終的にブラックホールに崩壊します。ブラックホールの質量は通常、太陽の数倍から数十倍です。銀河の中心には通常、太陽の10億倍から100億倍の質量を持つ超大質量ブラックホールが存在します。今回、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を研究した。

ブラックホールの概念図

（写真提供：UChicago News）

光はブラックホールから逃げることができないのに、ブラックホールが存在することをどうやって知るのでしょうか?確かに、ブラックホールそのものは私たちには直接見えませんが、ブラックホールが外界に及ぼす強い重力によってその存在が明らかになります。ブラックホールが外界に与える影響を追跡することで、人々はブラックホールの痕跡を捉えることができます。例えば、2020年のノーベル物理学賞を受賞した科学的成果の一つは、天の川銀河の中心領域にある多数の星が中心位置の周りを回っているのを監視し、そこからそこに巨大なブラックホールが存在するはずだと推測したことだ。

天の川銀河の中心にある星々は中心点の周りを回っている。

（画像出典：参考資料2）

ブラックホールの「眠り」と「目覚め」

このような巨大なブラックホールを周回する恒星は、通常、何らかの妨害がない限り、角運動量を失うことはありません。物体の回転によって発生する外向きの遠心力がブラックホールの内向きの重力に対抗し、バランスが保たれて物体がブラックホールに落ち込むことはありません。これは、月が地球に落ちることなく地球の周りを繰り返し回っているのと同じ理由です。この場合、ブラックホールは周囲の物質と平和を保ち、ブラックホールの周囲は静かな状態になります。観測者の観点から見ると、ブラックホールはこの時点では休眠状態にあるように見えます。

銀河の中心核にある物質が何らかの擾乱によって角運動量を失うと、外向きの遠心力が減少し、ブラックホールの内向きの重力に抵抗できなくなり、物質はブラックホールに落ち込んでしまいます。落下するにつれて、物質は円盤状の構造を形成します。ディスク内の物質はブラックホールの周りを高速で回転し、徐々にブラックホールに落ちていきます。このプロセスは集積と呼ばれます。

物質がブラックホールに落ちると、巨大な重力エネルギーが解放され、最終的にはさまざまな形のエネルギーとして宇宙に放射されます。このプロセスによって放射される膨大なエネルギーは、銀河全体のすべての星の総放射量を超えることさえあり、銀河の中心部を非常に明るくします。このとき、ブラックホールは周囲の物質を飲み込む活動状態にあります。

銀河の中心にあるブラックホールは周囲の外部物質を飲み込み、エネルギーを放出しようとしています

(画像クレジット: Shasthra Snehi)

現在、休眠状態と活動状態の両方で多数のブラックホールが観測されています。しかし、これら 2 つの状態間の切り替えプロセスは明確に観察されていません。

SDSS 1335+0728 からの新たな発見

2019年12月、天文学者たちはSDSS 1335+0728の中心領域が非常に明るいことを初めて発見しました。当初、研究者たちは、これは単に活動的な超大質量ブラックホールの通常の集積現象だと考えていた。しかし、過去20年間の長期観測データを振り返っても、活動の兆候は見られなかった。言い換えれば、この超大質量ブラックホールは過去には休眠状態にあり、近年になって活動し始めたということになります。

SDSS 1335+0728は2019年以来、活動的なブラックホールの放射特性を維持しており、強力な高エネルギーX線、紫外線、赤外線帯の強い放射を発しています。天文学者たちはこの異常な現象について合理的な説明を試みてきた。現時点では、次の 2 つの説明が有力です。

星を飲み込む？

星が銀河の中心にあるブラックホールに近づきすぎると、ブラックホールの強力な重力によって引き裂かれ、細長い「麺」のような構造に引き伸ばされ、徐々にブラックホールに落ちていきます。このプロセスは通常、短時間のエネルギー放出を伴い、元々静かだった銀河の中心部が突然明るくなります。この天文現象は、しばしば潮汐破壊現象と呼ばれます。このプロセスの原理は地球上の海水の潮汐現象に似ているため、このように名付けられました。

重力の強さは距離とともに減少することが知られています。月から海水までの距離は地球上の場所によって異なります。月に近い海水はより大きな重力を受け、月から遠い海水はより小さな重力を受けます。この重力の差によって海全体が変形し、海面が上昇したり下降したりして、私たちが目にする潮汐現象が発生します。

同様に、ブラックホールの近くの星は、場所によって異なる重力の影響を受けます。星がブラックホールに近づくほど、この重力の違いは顕著になります。星がブラックホールに近づきすぎると、強い重力差が星自身の結合力を上回り、星がバラバラになってしまうことがあります。引き裂かれた恒星の物質は強い放射線を放出しながら徐々にブラックホールに落ちていきます。この時期に観察すると、銀河の中心が目立つようになり、明るくなることがわかります。

超大質量ブラックホールが星を引き裂く潮汐破壊プロセス

(画像出典: HubPages)

近年、天文観測において潮汐破壊現象が何度も発見されています。では、銀河の中心核の異常な明るさの増加は、このような潮汐破壊現象によって説明できるのでしょうか?

天文学者たちが分析した結果、いくつかの点で典型的な潮汐破壊現象の特徴を満たしていないことが判明した。たとえば、潮汐破壊現象によって引き起こされる明るさの変化は、通常は数十日間、長くても数百日間しか続きません。今回、銀河の中心領域は、最初に発見されてから4年以上経った今でも、まだ明るくなっています。

もちろん、潮汐破壊現象については十分にわかっていないため、この可能性を完全に排除することはできません。おそらく、これは異常にゆっくりとした潮汐破壊現象だったのでしょう。たとえば、ブラックホールによって引き裂かれるのは恒星ではなく、近くにある小さな衛星銀河です。もしこれが本当に TDE であったなら、人類が知る最も長く、最もかすかな TDE となるでしょう。

ブラックホールの目覚めを目撃できるほど幸運だったことはありますか?

今回観測されたSDSS 1335+0728の特徴は、他の活動銀河核とあまり変わりません。カリフォルニア工科大学天文学部のマシュー・グラハム研究教授は、おそらくこの銀河には何も特別なことはなく、たまたま特別な瞬間を捉えただけなのではないかと推測している。

通常、宇宙の銀河の中心には超大質量ブラックホールが存在します。観測により、いくつかの銀河の中心にあるブラックホールは静かな状態にあるのに対し、他の銀河の中心にあるブラックホールは活動的な状態にあることがわかっています。統計結果によれば、活動的なブラックホールの数は静かなブラックホールの数よりもはるかに少ないことが示されています。これは、ブラックホールが活動するのはほんのわずかな時間だけであることを意味します。

銀河の中心にある超大質量ブラックホールを巨大な獣に例えると、この獣はほとんどの時間、食べるものがなく休眠状態にあり、短期間だけ狩りをして食事をとる活動段階にあることになります。食べ物を食べて消化すると、再び落ち着いた状態に戻ります。

銀河の中心にあるブラックホールが静止状態から活動状態へ、そして再び静止状態へという 1 つ以上の周期的な遷移を経験するのであれば、なぜこれらの状態遷移は広く観測されていないのでしょうか?これは、ブラックホールが特定の状態に留まる時間（通常は数百万年）が、人類による現代の天文学的観測の限られた歴史（100年未満）と比較して非常に長いためです。言い換えれば、現時点での人間の観測では、ブラックホールの進化プロセス全体のうちほんの一瞬しか目撃できないのです。

この瞬間が、ブラックホールが休眠状態から活動状態に移行し始めた瞬間と偶然一致した場合にのみ、私たちはブラックホールの目覚めを目撃する機会を得ることができます。この時点を観測することで、私たちの限られた観測履歴はブラックホールの休眠段階と活動段階の両方をカバーすることができます。このような決定的な瞬間に遭遇するのは当然容易なことではないが、それがこれまで人々に見られなかった理由かもしれない。

結論

現在、天文学者たちは依然としてこの超大質量ブラックホールを監視しており、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使ってさらに詳細な追跡観測と研究を行い、その異常な活動の理由を徹底的に理解する準備をしている。これは、将来ブラックホールが再び静かになるか活発になるかを予測するのに役立ち、銀河の中心にある超大質量ブラックホールの成長と進化についての理解を深めるのに役立ちます。

参考文献:

1. Sánchez-Sáez ら（2024年）; SDSS1335+0728: 約106M⊙のブラックホールの覚醒

2. ゲンゼル、アイゼンハウアー、ギレッセン (2010)。銀河中心の巨大ブラックホールと核星団