観測が難しい中間質量ブラックホールの証拠を発見!「お食事タイム」を捉える

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Credit:NASA
point
  • ブラックホールは恒星質量と超大質量のものの研究は進んでいるが、中間質量はほとんど見つかっていない
  • 中間質量はほとんど活動しないため、星を捕食中を観測しないとならないが、今回の発見はその有力候補
  • 中間質量の研究は、超大質量への成長・形成を理解する上でとても重要となる

ブラックホールと一口に言っても、そのサイズは色々存在します。

一般的なのは、1つの星が超新星爆発を起こして誕生する恒星質量ブラックホールで、これは大体太陽の10倍程度の質量を持つものです。

次に盛んに研究されているブラックホールは、銀河の中心に存在するような大質量ブラックホールで、これは太陽の数百万倍という質量を持っています。

ここで疑問として浮かぶのが、両者のあまりに大きな質量の差です。この中間に当たるようなブラックホール、つまり太陽質量の100倍から10万倍くらいの質量のブラックホールはないのでしょうか?

実を言うと、そうした中間質量ブラックホールはほとんど見つかっていません

候補となるX線源の天体はこれまでも報告がありますが、決め手となる証拠はなかなか掴めていません。

まるで、未確認生物(UMA)のようにとらえどころのない謎の天体なのです。

見つからない理由の1つは、中間質量ブラックホールがほとんど活動していないためです。もしはっきりと見たいならば、それは他の恒星を捕食中のところでも観測するしかありません。

そんな中、新たな研究はそんな食事中の中間質量ブラックホールを発見したと報告したのです。

この研究は、米国ニューハンプシャー大学の研究者Dacheng Lin氏を筆頭とした科学チームより発表され、2020年3月31日付けで天文学研究の科学雑誌『The Astrophysical Journal Letters』に掲載されています。

Multiwavelength Follow-up of the Hyperluminous Intermediate-mass Black Hole Candidate 3XMM J215022.4−055108
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab745b

ブラックホールのミッシングリンク

ブラックホールは小さな領域に超高密度で大量の物質が詰め込まれた、巨大な質量を持つ天体です。

この質量が太陽に対してどの程度であるかによって、ブラックホールはカテゴリ分けされます。

一般的なものは、恒星質量ブラックホールで、これは太陽の十倍から数十倍の質量です。

太陽質量の30倍以上の恒星は、超新星爆発を起こすとその核がブラックホール化します。爆発の際、ほとんどの物質は飛び散ってしまうので、ここで生まれるブラックホールは大体太陽の10倍くらいの質量が一般的です。

これより軽い恒星は、超新星爆発後に中性子星となりますが、中性子星も周りの物質を取り込んで太陽質量の14倍を超えると再度超新星爆発(Ⅰa型超新星)を起こしてブラックホール化します。

これは比較的地球に近い天の川銀河内で見つかります。

これらは連星系の片割れとして見つかり、ブラックホール化したあと、伴星を吸い込むことで降着円盤が活発なX線放射を行うので、地球からもよく観測できます。

伴星を吸い込む連星系の恒星質量ブラックホールのイメージ。/Credit:NASA

次によく観測されるのは、銀河系の中心にある大質量ブラックホールで、太陽の数百万倍という巨大な質量を持っています

巨大になる理由は、非常に星や物質が高密度に集まった領域で形成されたためです。

これも銀河中心の豊富な物質を吸い込んで、激しく活動する降着円盤が強力な電磁波を放つため、よく観測されます。

銀河中心の大質量ブラックホールのイメージ。/Credit:NASA/JPL-Caltech

しかし、一方で太陽質量の100倍から10万倍くらいの中間質量ブラックホールはあまり見つかっていません

小さいものも大きいものもあるなら、その中間もあるだろう考えるのが普通ですが、なぜ中間サイズのブラックホールは見つからないのでしょう?

ブラックホールは光も吸い込んでしまうので、そのままでは見ることが難しい天体です。恒星質量でも、大質量でも、ブラックホールを観測する場合、必要となるのが活発な降着円盤です。

伴星を持つ連星系や、物質の豊富な銀河中心ならこれが見つけやすいのです。

しかし、中間質量ブラックホールはいずれの領域にもいないと考えられます。大質量になるほど物質が豊富でもなく、連星などは全て食べ尽くしてしまい恒星質量でもない。周りに食べるものがない静かな領域で、ひっそりと息を潜めている。

こうなると、中間質量ブラックホールの観測は、まるで痕跡も残さず、ほとんど活動しない未確認生物(UMA)を探しているようなものでしょう。

食事中を狙う

そこで、天文学者たちが考えたのが、食事中を狙って観測するというものでした。

滅多に見つかる状況ではないでしょうが、そこを観測できれば、やつの姿をはっきりととらえられるかもしれません。

今回の研究者たちは、X線観測衛星「XMM-Newton」の数千もの観測データから可能性の有りそうな候補を探し、その中から中間質量ブラックホールと目される「3XMM J215022.4−055108」を発見したのです。

この領域をハッブル宇宙望遠鏡で観測し、場所を特定すると、それは遠方銀河の辺境にある星団の中でした。

銀河辺境に浮かぶ球状星団は数十万から数百万個の星の集まりで、ミニ銀河のような存在です。これを維持するのに最適な中心核は、中間質量ブラックホールと言われています。

それはまさに、中間質量ブラックホールが見つかるだろうと予想された条件に、ぴたりと当てはまる場所です。

「3XMM J215022.4−055108」のハッブル宇宙望遠鏡による光学撮影映像。緑の四角が該当の領域。/Credit:NASA / ESA / D.Lin et al. 2020

この天体のX線フレアは、約12年間も継続しているものでした。

それは時間とともに減衰していて、このデータの変動は、星がブラックホールに飲み込まれることで起きる単純な潮汐破壊のイベントモデルと非常によく一致していました。

「3XMM J215022.4−055108」の12年間の光度曲線の減衰。この変化は星の潮汐破壊のモデルと一致する。/Credit:D. Lin et al. 2020

ハッブル宇宙望遠鏡による光学観測とXMM-NewtonによるX線観測のデータを元に、ここに存在するブラックホールの質量を計算したところ、それはおよそ太陽質量の50,000倍という結果が出されました。

これは今回の観測が、中間質量ブラックホールが恒星を飲み込んでいる様子である可能性を強く示唆しています。まさに探し求めていた発見だったのです。

「中間質量ブラックホールが、どのように形成されるのか?」「このような星団に存在する傾向が高いのか?」については、これから明らかになるでしょう。

また、中質量のブラックホールは、超大質量ブラックホールの進化・成長を理解するための鍵にもなります。

明確な存在の証拠を手に入れたことで、このUMA的ブラックホールは、これから多くの疑問に答えを与えてくれると期待されています。

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reference: bbc,aasnova/ written by KAIN
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