突然消えるクエーサーが科学者を困惑させている

ステファニー・ラマッサは二度見した。彼女はパソコンの画面に映った二つの画像を見つめていた。どちらも同じ物体のものだが、全く似ていなかった。

2000年にスローン・デジタル・スカイ・サーベイで撮影された最初の画像は、典型的なクエーサーに似ていました。クエーサーとは、銀河の中心にある貪欲な超大質量ブラックホールによってエネルギーを与えられた、非常に明るく遠方の天体です。青色で、光のピークが広がっていました。しかし、2010年に測定された2枚目の画像は、以前の10分の1の明るさで、同じようなピークは見られませんでした。

クエーサーは消え去り、ただ別の銀河だけが残ったかに見えた。

そんなことはありえない、と彼女は思った。クエーサーは活動を停止し、単なる銀河へと移行するが、その過程には1万年以上かかるはずだ。このクエーサーは10年も経たないうちに活動を停止したようだ。宇宙の瞬きほどの出来事だ。

現在宇宙望遠鏡科学研究所に所属する天文学者のラマッサ氏は、困惑した。2014年のその瞬間まで、彼女も他の多くの人々と同様に、クエーサーは比較的安定しているだろうと予想していた。「それから、人間の一生の間にこのような劇的な変化が見られるようになったのです。本当にすごいですね」と彼女は言った。

混乱は興奮へと変わり、こうした奇妙な現象をもっと発見しようと探索が始まった。明るさの低い例は既に観測されていたものの、天文学者たちはラマッサが発見したような劇的な変化がよくあるのかどうかを知りたかった。調査では過去に観測した天体を遡って調べることはあまりないため、これは容易な作業ではなかった。しかし、天文学者たちはアーカイブデータを調べ、「外観が変化するクエーサー」として知られるようになったものを50から100個以上発見した。これらの中には、ラマッサの最初の例よりも大幅に暗くなっているものもあれば、1、2ヶ月の間に変化したものもあった。また、一度消えた後に再び現れたものもあった。

「これまでこれらの天体が見つからなかったのは、我々がそれらを探していなかったからであることは明らかだ」とイリノイ大学の天文学者エリック・モーガンソン氏は語った。

しかし、太陽系規模のガスと塵の渦がブラックホールへと渦巻くことで生み出される超高輝度のビーコンのような、これほど巨大な天体が、なぜこれほど急速に消滅したのだろうか？ 当初、天文学者たちはそんなことはあり得ないと考え、クエーサーではなく、超新星やフレアを装った恒星ではないかと提唱した。あるいは、塵の雲が一時的に私たちの視界を遮っていたのかもしれない。

しかし、これらの考えは天文学者の観測とはほとんど一致していない。過去1年間で、これらの系をより詳しく調べた観測がいくつか行われ、降着円盤（ブラックホールを取り囲み、これらの天体にまばゆいばかりの光を与えている高温物質の渦）が明滅しているように見えることを示唆する詳細な情報が得られている。同時に、理論天体物理学者たちは、この変化がどのように起こるのかを考察してきた。「これほど巨大な系全体が、これほど急速に変化しているというのは、少し奇妙に思えます」とモーガンソン氏は述べた。

ブラックホールのドッペルゲンガー

過去4年間、天文学者たちは可能な限り単純な理論を用いて、変化するクエーサーの姿を解明しようと試みてきました。当初は、降着円盤の劇的な変化を必要としないシナリオを見つけることを意味していました。

その理由を理解するには、これらの系の大きさを考えると分かりやすい。もし太陽系の上にクエーサーを置くことができたとしたら、超大質量ブラックホールは太陽を飲み込み、降着円盤は地球の何万倍も遠くまで広がるだろう。クエーサーの活動を停止させるには、その物質がすべて内側に渦を巻き、ブラックホールに落ち込まなければならない。計算や観測から、このプロセスには数万年から数十万年かかると示唆されている。

「私たちがこれまで見てきたように、これほど急速に集積が停止するはずがありません」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天体物理学者ポール・グリーン氏は述べた。「物理学的に全く意味をなさないのです。」

そこで天文学者たちは他の可能性を検討した。ラマッサが2014年に初めて驚くべき発見をしたとき、彼女は巨大な塵の雲がクエーサーの明るいビーコンの前を通過し、瞬間的にその光を遮ったと仮定した。しかし、彼女と同僚たちがそのシナリオをモデル化しようとしたところ、観測結果を再現するには、複数の雲が存在する非常に複雑な状況しか存在しないことがわかった。それはあまりにもありそうにない。しかも、何らかの変化が起こるには数年どころか、はるかに長い時間がかかるはずだった。

これらの天体がクエーサーではないのではないかと考える者もいる。2015年、ドイツのマックス・プランク地球外物理学研究所のアンドレア・メルローニは、ラマッサの天体は実際にはブラックホールに近づきすぎて引き裂かれ、明るいフレアを発生させた恒星ではないかと示唆した。同様に、クエーサーとされる天体は実際には強力な超新星だったと主張する者もいる。

どちらの可能性も、クエーサーのように主銀河よりも明るく、似た波長の光を発する可能性がある。その後、これらの現象からの光は数ヶ月から数年かけて弱まり、外観が変化するクエーサーのタイムスケールと一致する。しかし問題は、これらの光が、天文学者が観測していない特定の特徴を伴って弱まるということだ。

そこで研究者たちは最近、再びクエーサーに注目し始めました。物質の渦巻く円盤そのものを探査したいくつかの新たな研究が、彼らの研究を助けました。

2017年、中国科学技術大学の天文学者、盛振鋒氏とその同僚たちは、可視光と赤外線の両方で、外観が変化する複数のクエーサーを調査しました。これらの波長を用いることで、チームは各クエーサーの降着円盤だけでなく、その周囲を囲むドーナツ状の塵雲のリングであるトーラスも観測することができました。

これは重要な点です。なぜなら、輝く降着円盤は可視光を暗黒トーラスに向けて送り、そこで吸収され、赤外線として再放射されるからです。そのため、降着円盤の変化は後にトーラス内で反響します。シェン氏と彼の同僚はまさにそのような反響を（他の研究と同様に）観測し、それが降着円盤を流れる物質の量の変化の兆候であると結論付けました。

この抜本的な変化がどのように起こるのかは依然として議論の余地があるが、最近では多くの仮説が浮上している。

食べかけのビュッフェと変身者たち

クエーサーが活動を停止するために、必ずしもプレートを完全に空にする必要はないのかもしれません。これを理解する一つの方法は、降着円盤を複数の部分に分割することです。つまり、明るい内側の領域が外側の暗い領域を照らしているのです。そして、ブラックホールが内側の領域を飲み込んでしまうと（このプロセスはわずか数ヶ月で起こる可能性があります）、内側の円盤は消滅し、その明るい光を失った外側の円盤は暗くなります。太陽の死が月の光を失うのと似ています。

「彼らはビュッフェでお腹を空かせただけの人たちだと思っていました」とモーガンソン氏は言います。「目の前に無限の量の食べ物があれば、彼らはただ全力で食べ続け、その後は比較的安定した状態を保つはずです。しかし実際には、彼らは食べ物がまだそこにある時に休憩を取っているだけだったのです。」

あるいは、降着円盤の形状が変化している可能性もある。突飛な話に聞こえるかもしれないが、今年、2つの異なるクエーサーの研究で、別のエコーに基づくこの理論を裏付ける証拠が見つかった。どちらのクエーサーでも、まず紫外線と青色が消え、続いて緑色、そして最後に赤色が消えた。この変化は、エネルギーの高い色から低い色へと流れている。つまり、これは内側の円盤から外側の円盤へと波及する変化に似ている。「何かが降着円盤を内側から外側へと暗くしている」と、アメリカ自然史博物館の天体物理学者バリー・マッカーナン氏は述べた。

色が完全に消えるわけではないため、研究者たちは内部降着円盤がブラックホールに完全に飲み込まれたとは考えていません。むしろ、超大質量ブラックホールから冷却前線が信じられないほどの速さで吹き出したのではないかと考えています。例えば、赤色は緑色のわずか1年後に消えました。

マッカーナン氏は、この速度が重要だと指摘した。なぜなら、この速度からディスクの構造に関するヒントが得られるからだ。ディスクが粘性を持ち乱流状態にある場合、情報を送るのはかなり容易だ。（音速が空気中よりも水中の方が速いという事実を考えてみよう。）そこでマッカーナン氏は、ディスクは粘性を持ち、したがってかなり膨らんでいる（DVDではなくドーナツ状になっている）はずで、その後、冷気前線が通過すると薄いディスクに収縮すると主張している。

しかし、2つ目の仮説は全く逆のことを示唆しています。降着円盤は最初は薄く、その後膨らんでいきます。これはまさに、天文学者が恒星質量ブラックホール（超大質量ブラックホールの低質量版）が活動を停止したときに起こると考えている現象です。ブラックホールに大量の質量が降着しているときは、降着円盤は非常に薄く明るく輝いています。しかし、降着率が低下すると、円盤は膨らんで準球状の構造になり、光を放射しにくくなります。

東北大学の野田博文氏とイギリスのダラム大学のクリス・ドーン氏は、このような膨張がクエーサーの外観変化にも影響しているかどうかを調べたいと考えました。そこで今年、彼らは恒星質量ブラックホールの周りの降着円盤モデルを超大質量ブラックホールの周りの降着円盤モデルに適用しました。その結果、クエーサーの降着円盤ではこのような変化が起こり得ること、しかもその速度は速い（ただし数十年単位ではない）ことがわかりました。

天文学者たちは、超大質量ブラックホールが飢餓状態になったのか、円盤自体が膨張したり陥没したりして形を変えたのか、あるいは全く別のメカニズムが原因なのか、まだはっきりとは分かっていません。降着円盤内のガスが、どのようにして大きな半径の軌道からブラックホールに近い軌道へと流れ、最終的にブラックホールに落ち込むのかは、まだ解明されていません。また、磁場など、天文学者たちがまだ理解していない他の要因も、重要な役割を果たしている可能性が高いのです。「これは私たちの想像力の失敗です」と、イェール大学の天体物理学者メグ・ウリー氏は述べています。

殺人自殺協定

詳細はまだ不明瞭だが、ガスと塵がどのようにブラックホールに流れ込むかについての理解が深まれば、私たちの単なる好奇心を満たすだけでなく、銀河がどのように進化するかを説明するのにも役立つだろう。

約20年前、天文学者たちは超大質量ブラックホールの質量が銀河全体の質量と密接な相関関係にあることを発見しました。実際、ブラックホールは銀河の成長を阻害し、シミュレーション予測の10分の1から100分の1の大きさにまで縮小させます。「ブラックホールの重力の影響範囲は、銀河全体と比較するとごくわずかです」と、マギル大学の天体物理学者ジョン・ルアン氏は述べています。「では、なぜ両者の間にこれほど密接な関係があるのでしょうか？」

この相関関係が最初に発見されたとき、その答えは謎に包まれていましたが、天文学者は現在、クエーサーが母銀河に壊滅的な被害を与える可能性があると疑っています。そして、その影響は驚くほど広範囲に及ぶのです。クエーサーの強烈な風は塵とガスを銀河の外へと吹き飛ばします。その極めて高い光度は、残ったガスを非常に高い温度まで加熱するため、新しい星は形成されません。ドレクセル大学の物理学者ゴードン・リチャーズ氏によると、クエーサーは事実上、自らと母銀河の両方から、生存に必要な星を枯渇させ、「まるで自殺協定」を結んでいるのです。

少なくとも、現時点ではそう考えられています。天文学者は遠方のクエーサーとその銀河を同時に観測することができないため、詳細を突き止めるのは非常に困難でした。クエーサーは明るすぎるからです。しかし、もし天文学者が宇宙実験を行えるのであれば、まずクエーサーを観測し、その後スイッチを切って暗くするでしょう。ルアン氏によると、外観が変化するクエーサーはまさにこの実験であり、クエーサーの広範な影響をより深く理解するための前例のない機会を提供してくれるとのことです。

しかし、この関係を真に理解するには、天文学者は見た目が変化するクエーサーの膨大なサンプルを必要とします。そして、それらを見つけるには、同じクエーサーや銀河に何度も戻って、変化を捉えなければなりません。カリフォルニア州にあるツウィッキー・トランジェント・ファシリティは既に2017年から空の地図を作成しており、年間約300回同じ天体を観測しています。そして、さらに多くの施設が間もなく稼働する予定です。例えば、2022年に計画されている大型シノプティック・サーベイ・テレスコープは、毎晩全天を5色で地図化します。「私たちは全天のカラー映画を制作し、このような魅力的な奇妙な天体を何百万も発見するでしょう」とグリーン氏は述べました。

マッカーナン氏は、将来どれほど幸運に恵まれるかについては確信が持てない。楽観的な見方をすれば、こうした調査が天文学者たちの突破口となるかもしれないと考えている。「もし私たちが適切な場所に適切なタイミングでいて、こうした現象の一つを捉え、複数の観測機器で追跡できれば、突破口が開けるかもしれません」と彼は言う。「それが私たちのロゼッタストーンになるかもしれません」。幸運にも恵まれる必要があるとはいえ、こうした観測は将来、天の川銀河の姿を解明する助けになるかもしれない。

結局のところ、約50億年後には私たちの銀河とアンドロメダ銀河が衝突し、新たなクエーサーが出現して夜空が混乱に陥る可能性が高い。しかし、この謎めいた消失現象をより深く理解することで、こうした詳細をより明確に予測できるかもしれない。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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