光さえもブラックホールから逃れられないのに、なぜ「見える」のでしょうか?

ブラックホールは宇宙において常に驚くべき存在であり、アインシュタインの重力場理論によって初めて予測されました。 1971 年、科学者たちは最初の本物のブラックホールである Cygnus X-1 を発見しました。 2019年、科学者たちは地球サイズのイベント・ホライズン・テレスコープを使って、地球から5500万光年離れたM87銀河のブラックホールの写真を初めて撮影した。

現在、科学界における一般的な見解は、ブラックホールは巨大天体の死後の必然的な行き先であり、宇宙最高の死体であり、疑いなく最も極端な天体であるということです。彼らは宇宙に存在するすべてのものを食い尽くすことができ、まさに無敵です。

ブラックホールは宇宙によく見られる天体です。科学者たちは、観測可能な宇宙には少なくとも 400 兆個のブラックホールがあり、天の川銀河には少なくとも 1 億個のブラックホールがあると推定しています。しかし、ブラックホールの強力な重力により光さえも逃げることができないため、これまで直接観測することができなかった。間接的に観測されたブラックホールは 100 個未満で、そのうち 60 個以上が天の川銀河にあります。

ブラックホールには事象の地平線があり、これは各ブラックホールの質量に基づいてその周囲に形成される球状の極限重力場です。科学では、これが時間と空間の臨界点であると信じています。物質や光でさえもこの境界に入ると逃げることができず、情報は漏洩しません。したがって、人間はブラックホールの内部を直接観察することはできません。

しかし、ブラックホールは、重力、角運動量、電荷という 3 つの物理量を事象の地平線の外側に残します。これら 3 つの物理量は周囲の空間と時間に影響を与え、間接的にブラックホールを観測できるようになります。ブラックホールの最も典型的な行動は「貪欲」であることです。それは近づくすべての物質を「食べ尽くす」のです。専門用語では「accretion」と呼ばれます。

ブラックホールの角運動量により、ブラックホールの集積中に近くの物質が高速で移動および回転します。事象の地平線に近づくほど速度は速くなり、最終的には光速に近づきます。物質の 60 ～ 90% は事象の地平線に落ちて消滅し、残りの物質はエネルギーの流れまたは物質ジェットの形で宇宙に逃げていきます。

これは、事象の地平線の外側の物質が高速で衝突して素粒子になると、強い可視光と高エネルギー光線、つまり物質ジェットを放出するからです。これらはすべて逃げ出すエネルギーと物質です。人々は光学望遠鏡や電波望遠鏡を通してこれらのエネルギーとそれが取り囲む事象の地平線を観察し、それによってブラックホールの大きさと質量を計算することができます。

ブラックホールの極めて強い重力は、その近くの天体に混乱を引き起こします。一定の距離に達すると、ブラックホールに引き寄せられ、その周りを回転します。このようにして、宇宙では、1つまたは複数の星が目に見えない空間の周りを回転するという奇妙な現象が見られます。科学者たちは、このことからそこにブラックホールが存在する可能性があると判断し、その質量を計算することができます。

現在発見されているブラックホールは、ブラックホールの集積と重力の乱れに基づいて「見える」ものです。実は、人類は本物のブラックホールを見たことはなく、人類が撮影した最初のブラックホールの写真や、天の川銀河やその他の銀河の中心にある超大質量ブラックホールなど、降着現象や重力の乱れを通じて、そこにブラックホールが存在すると「考えている」だけである。

初期のブラックホールの形成に関する理論では、ブラックホールは太陽の30倍以上の質量を持つ恒星が死ぬときに爆発して崩壊することによって形成されると考えられていました。しかし、星の崩壊によって形成されたブラックホールは、当初は太陽の3～10倍の大きさしかないため、この方法では超大質量ブラックホールの存在を説明できません。このタイプのブラックホールは近くの星間物質を飲み込みますが、その速度は非常に遅いです。太陽の質量を持つ恒星を飲み込むには、数百年、あるいは数億年かかります。

現在発見されている最大の超大質量ブラックホールは、1000億太陽質量に達しており、例えばSDSS J073739.96+384413.2ブラックホールは1040億太陽質量に達しています。このブラックホールは毎年太陽の約60倍の質量の天体物質しか飲み込むことができず、宇宙の年齢はわずか138億年です。どれだけ「おいしい」ことに頼っていたとしても、恒星質量のブラックホールの種がこれほど巨大に成長することは決してないだろう。

研究によれば、この巨大な超大質量ブラックホールには2つの源がある可能性があるとのこと。 1つは、宇宙初期における巨大分子雲の直接的な崩壊によって形成されたというものです。このブラックホールの最初の種の質量は太陽の10万倍以上です。もう 1 つは、宇宙における最初の世代の巨大な星の死と崩壊によって高密度の種ブラックホールが形成され、それがその後融合を続け、急速に成長することによって形成されるというものです。

最近のいくつかの観察により、この科学的推測がさらに証明されました。

2023年11月10日、アメリカの科学者たちは、チャンドラX線観測衛星とウェッブ望遠鏡のデータを使い、地球から132億光年離れたUHZ1銀河にブラックホールを発見したと発表した。このブラックホールの質量は太陽の約1000万〜1億倍で、これまでに発見されたブラックホールの中で最も遠いものとなる。この発見は国際天文学誌「ネイチャー・アストロノミー」に掲載された。

1 光年は光が 1 年間で移動する時間を意味します。したがって、光に頼って世界を認識する人間は、天体を 1 年前と同じように見ていることになります。 132 億光年は、このブラックホールが 132 億年前と同じように見えたことを意味します。宇宙の年齢に基づくと、ビッグバンからわずか4億7000万年後のことでした。このような巨大なブラックホールが、このような初期段階で星の種ブラックホールの集積によって形成されたということはあり得ません。

ほんの数日前の2024年2月20日、中国と海外のメディアは、オーストラリア国立大学の研究者がネイチャー・アストロノミー誌に論文を発表し、地球から120億光年離れたところに太陽の170億倍の質量を持つブラックホールを発見したと報じた。このブラックホールは、コード名 J0529-4351 のクエーサーの中心に位置しています。

このブラックホールの発見は、ブラックホールの初期形成法則をさらに証明するものですが、このブラックホールは衝撃的な特徴もいくつか示しています。まず、これはこれまで発見されたブラックホールの中で最も明るいだけでなく、太陽の 500 兆倍の明るさを持つ、宇宙で最も明るいクエーサーおよび天体、つまり宇宙で最も明るい物体でもあります。

第二に、このブラックホールは驚くべき飲み込み能力を持っています。その降着円盤は恐ろしいことに 7 光年に達します。 1 年間で太陽の 413 倍の質量を飲み込むことができるため、毎日太陽の質量を超える物質を「食べている」ことになります。これは、これまでに発見されたブラックホールの中で最も「食べる」、そして最も速く「食べる」ブラックホールです。

ブラックホールが大きいほど、より速く「食べる」ことになります。大きくなってからさらに「食べる」能力を考慮しなくても、現在の「食べ方」によれば、120億年食べた後には、太陽の約5兆個を食べることになります。言い換えれば、現在のブラックホールの質量は太陽の少なくとも 50,000 倍です。

ブラックホールは宇宙において非常に重要な存在であり、最終的には宇宙の生と死を繋ぐものなのかもしれません。人間、そして宇宙さえもブラックホールと切っても切れない関係にあります。将来的には、ブラックホールによって人類の生存や破滅も影響を受ける可能性があります。探査と研究は継続されており、将来的にはブラックホールに関するさらに奇妙な発見が出てくることでしょう。待って見てみましょう。

これはSpace-Time Communicationからのオリジナル記事です。著者の著作権を尊重してください。ご理解とご協力をよろしくお願いいたします。

データリンク: https://www.newscientist.com/article/2417791-monster-black-hole-powers-the-brightest-known-object-in-the-universe/?utm_source=Live+Audience&utm_campaign=536b448141-briefing-dy-20240220&utm_medium=email&utm_term=0_b27a691814-536b448141-51426400