星を飲み込むブラックホールが異様な光のショーで秘密を明かす

ブラックホールは、その名前と雰囲気にふさわしく、発見も研究も困難です。小さなブラックホールであれば、衝突時に宇宙に響き渡る重力波から音を拾うことはできますが、この手法は新しいため、まだ稀です。天の川銀河や近隣の銀河の中心にあるブラックホールの周りを飛び回る星々の、手間のかかる地図を作成することはできます。あるいは、ブラックホールがガス雲を飲み込み、落下する際に放射線を放出する様子を観察することもできます。

今、研究者たちは新たな選択肢を手にした。彼らは潮汐破壊現象（TDE）と呼ばれる超高輝度閃光の捕捉に着手したのだ。これは、巨大なブラックホールが通過する恒星を捕らえ、二つに引き裂き、鮭を捕らえるクマのような食欲でその大部分を飲み込むときに発生する。「私にとっては、まるでSFの世界のようです」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校とニールス・ボーア研究所の天体物理学者、エンリコ・ラミレス＝ルイス氏は語る。

しかし、ここ数年で、TDE の研究は SF から活気のない家内工業へと変わり、今では活気のあるテクノロジー系新興企業のようなものに変わりました。

毎晩数千の銀河を観測できる自動広視野望遠鏡は、約24個のTDEを発見しました。これらの発見の中には、TDE動物園の奇妙で長年探し求められてきたメンバーも含まれています。6月、ネイチャー誌に掲載された論文では、遠く離れた星団で発生したX線光の爆発について記述されており、天文学者はこれを中型のブラックホールが星を飲み込んでいると解釈しました。同じ月、別の研究グループがサイエンス誌で、これまでで最も明るいTDEを発見したと発表しました。これは、合体中の銀河ペアの中心にある微弱なガスを照らし出したものです。

これらの発見は、TDE発生中に実際に何が起こっているのかという理解が深まる中で行われました。5月末、天体物理学者のグループがTDEの仕組みに関する新たな理論モデルを提唱しました。このモデルは、基礎となる物理法則はおそらく同じであるにもかかわらず、異なるTDEが異なる挙動を示すように見える理由を説明できます。

天文学者たちは、これらの奇妙な光のショーを解読することで、ブラックホールの調査が可能になることを期待しています。潮汐破壊は、宇宙に存在するブラックホールの質量、回転、そして膨大な数を明らかにします。そのほとんどは、そうでなければ目に見えないものです。例えば、理論家たちは、潮汐破壊によって、既知の2つのブラックホールクラス（太陽の数倍の重さを持つ恒星サイズのブラックホールと、銀河の中心核に潜む太陽質量の100万倍から10億倍の巨大ブラックホール）の中間の質量を持つ中間質量ブラックホールが発見されるかどうか、非常に興味を持っています。Nature誌の論文によると、すでにそのようなブラックホールが発見されている可能性があるとのことです。

研究者たちは、TDEを用いてブラックホールの基礎物理学を探り始めています。TDEは、アインシュタインの一般相対性理論が予測するように、ブラックホールには常に事象の地平線（何も戻れないカーテン）が存在するかどうかを検証するために使用できます。

一方、さらに多くの観測が予定されています。現在、年間1～2回程度の新たなTDEの発生率は、3月にカリフォルニア州パロマー天文台上空の観測を開始したズウィッキー・トランジェント・ファシリティのおかげで、今年末までに桁違いに増加する可能性があります。さらに、計画されている観測所の追加により、今後数年間でさらに桁違いに増加する可能性があります。

「この分野は本当に開花しました」と、メリーランド大学のスヴィ・ゲザリ氏は語る。彼女は、不況期にTDEにキャリアを賭けた数少ない頑固な先駆者の一人だ。彼女は現在、ズウィッキー・トランジェント・ファシリティのTDE探索チームを率いており、開設から数ヶ月で既に未発表の候補物質を捕獲したという。「今、人々は本当に熱心に取り組んでいます」

スタータフィーを探して

1975年、イギリスの物理学者ジャック・ヒルズは、クエーサー（遠方の宇宙からやってくる非常に明るい光点）のエネルギー源を説明する方法として、ブラックホールが星を食べるというシナリオを初めて提唱しました。（現在ではクエーサーは、恒星ではなく、周囲のガスを食べる超大質量ブラックホールであることが知られています。）しかし1988年、イギリスの宇宙学者マーティン・リースは、恒星を食べるブラックホールは、安定した輝きではなく、鋭いフレアを発することに気づきました。リースは、そのようなフレアを探すことで、天文学者はブラックホール自体を発見し、研究できる可能性があると主張しました。

1990年代後半まで、条件に合うものは何も見つからなかった。当時、ドイツのガルヒンクにあるマックス・プランク地球外物理学研究所の大学院生だったステファニー・コモッサは、リースの予測通り、遠方の銀河の中心から発せられる巨大なX線フレアを発見した。

天文学界は、わずか数点のデータに基づくこれらの発見に慎重な反応を示した。その後、2000年代半ば、カリフォルニア工科大学でポスドク研究員として研究を始めたゲザリは、自らもTDE候補となる天体をいくつか探し出し、発見した。彼女はコモッサが発見したX線ではなく、紫外線の閃光を探した。「昔は」とゲザリは言う。「私たちの発見はすべて、実際には潮汐力の乱れによるものだと人々に納得させようとしていたんです」

しかし間もなく、彼女は懐疑的な人々さえも揺さぶる何かを手に入れた。2010年、ゲザリはモデル化の予測通りに増減する、特に明瞭なフレアを発見した。彼女はそれを2012年にネイチャー誌に発表し、他の天文学者の注目を集めた。それ以来、光を使った大規模な探査によって、夜空の明るさの変化をふるいにかける手法が、この探査の主流となった。そして、コモッサとゲザリの超新星爆発は、どちらも他の天体を探すために設計されたミッションから回収されたものだったが、今回発見された超新星爆発も混獲物として現れたのだ。「ああ、なぜ私たちはこれらの発見を考えなかったのだろう、と思いました」と、超新星探査プロジェクトに携わるオハイオ州立大学の天体物理学者、クリストファー・コチャネックは語った。

今では、ますます多くのTDEが発見され、天体物理学者たちはリースの当初の目標、すなわち巨大ブラックホールの特定と研究に手が届くところまで来ています。しかし、彼らはまだこれらの事象を解釈し、その基本的な物理法則を解明する必要があります。意外なことに、既知のTDEは異なる種類に分類されます。中には、まるで数万度に加熱されたガスから放出されているかのように、主に紫外線と可視光を発するものもあれば、X線を強く放射するものもあり、温度が桁違いに高いことを示唆しています。しかし、おそらくそれらはすべて、同じ基本的な物理的根源を持っていると考えられます。

不運な星がブラックホールに接近して、その重力潮汐力が星を束縛する内部重力を超えるまで、ブラックホールに近づかなければなりません。言い換えれば、ブラックホールの重力の近辺と遠辺の差と、星がブラックホールの周りを回転する際の慣性力によって、星は流れのように引き伸ばされるのです。「基本的にスパゲッティ状になるのです」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、ジェームズ・ギロション氏は述べています。

星の外側半分は宇宙へと逃げ去ります。しかし、内側半分、つまり星の飴のような濃厚な流れはブラックホールへと渦を巻き、加熱されて膨大なエネルギーを放出し、宇宙全体に放射されます。

この大まかなメカニズムは理解できたものの、研究者たちは個々のTDEがなぜこれほどまでに異なる外観をしているのか理解するのに苦労していました。長年提唱されてきた説の一つは、星を飲み込む過程における様々な段階に着目したものです。星の肉が最初に引き裂かれ、流れのように引き伸ばされる際に、ブラックホールの周りを跳ね返り、自身の尾に衝突すると考えられます。この過程で尾は紫外線を発生する温度まで加熱されるかもしれませんが、それ以上にはならないでしょう。その後、数ヶ月から1年後には、星は降着円盤（回転するガスの塊）に落ち着くと考えられています。理論によれば、この円盤はX線を放射するほど高温になると予測されています。

しかし、ニールス・ボーア研究所のジェーン・リシン・ダイ率いる研究チームとラミレス＝ルイス氏を含むチームは5月、別の可能性もあると主張した。一般相対性理論の影響を考慮した彼らのシミュレーションによると、2種類のTDEは、単に同じものを異なる角度から見ただけかもしれない。天文学者がベーグルのような降着円盤を上から見た場合、高温の内部物質から放出されたX線が渦を巻いて排水溝に流れ落ちるのを見ることができる。しかし、降着円盤が真横から見ると、より冷たいガスが邪魔になる。このガスはX線を捕らえ、紫外線として再放射するのだ。

理論家たちは最終的に、それぞれの出来事を同じ核となるテーマのバリエーションとして解釈し、より深い科学研究を進めたいと考えている。「もしかしたら、集積について根本的な何かがわかるかもしれません」とコチャネック氏は述べた。あるいは、「それぞれの出来事が十分に特異なものとなり、まるで雲の形を心配するかのようになるかもしれません」。

アインシュタインのテスト

新たに発見された超大質量ブラックホールは、天文学者が銀河を支配する超大質量ブラックホールの理解を深めるのにも役立っています。これらの巨大ブラックホールのうち、周囲のガスを吸収しながら放射線を放出するのはわずか10%程度で、残りの90%は目に見えません。

TDEはそれを変える。ボンにあるマックス・プランク電波天文学研究所の天文学者コモッサ氏は、連星系超大質量ブラックホールのさらなる発見を望んでいる。連星系超大質量ブラックホールとは、自身の銀河同士の衝突によって共存を余儀なくされたブラックホールのことで、将来の宇宙重力波実験でも探索される予定だ。ある星がブラックホールに流れ込むと、近くに別の超大質量ブラックホールが存在するため、流れ込む物質の流れが引っ張られる。TDEは、滑らかな減光ではなく、上下に変化する現象を示すだろう。

他のチームは、根本的で不気味な相関関係を検証しようとしています。どういうわけか、中心ブラックホールとそのホスト銀河の質量は連動して増加しているようです。「ブラックホールの質量は銀河の質量を知っているのです。これはある意味魅惑的です」とラミレス＝ルイス氏は述べています。独立した銀河サンプルにおけるブラックホールの質量を調べるTDEは、この関係を強めることも弱めることもできます。

TDEは、矛盾した存在を明らかにすることもできる。それは、周囲にある最も小さな巨大ブラックホールたちだ。既知のブラックホールの中でも最大級のものは太陽の100億倍もの重さがあり、天の川銀河のような銀河には太陽質量の数百万倍にも及ぶブラックホールが存在する。しかし、より小さな矮小銀河が、太陽質量の数十万倍かそれ以下の、それと比べると小さなブラックホールで占められているかどうかは明らかではない。

こうした中間質量ブラックホールからTDE（超新星爆発）を発見できれば、この謎は解明され、巨大ブラックホールがそもそもどのように形成されるのか天文学者が理解するのに役立つだろう。ネイチャー誌6月号の論文では、太陽質量の数万倍というそのような中間天体を発見したと主張している。この現象は2003年に出現し、2006年にピークを迎え、その後10年間は​​減少した。このX線フレアは銀河の中心ではなく、星団で発生した。星団は、星の合体によって中間質量ブラックホールが合体する可能性がある場所だ。しかし、1回の現象でブラックホールの集団が形成されるわけではない。「この結果を裏付けるために、同様の現象をさらに見つける必要がある」と、研究を率いたニューハンプシャー大学の天体物理学者、ダチェン・リン氏は述べた。

そして、さらに深い目標が待ち受けています。TDEは、一般相対性理論のブラックホール像を検証し始めており、理論が破綻する可能性のある場所を探っています。

例えば、ブラックホールの質量が増加すると、その事象の地平線は着実に外側へ広がります。しかし、ブラックホールの潮汐力によって恒星が引き裂かれる半径の増加は、より緩やかです。ヒルズ質量と呼ばれる理論上の限界、つまり太陽質量の約1億倍に達すると、ブラックホールが恒星を引き裂く半径は、ブラックホール自身の境界と完全に一致します。これは、事象の地平線（TDE）の質量に上限を設けることになるはずです。「それ以下では、何かを引き裂くことができます。それを超えると、恒星はブラックホールに飲み込まれてしまいます」と、コロンビア大学の理論天体物理学者、ニコラス・ストーン氏は述べています。

これまでのデータはこの考えを裏付けています。超大質量ブラックホールの質量測定において他の手法と同等の信頼性を持つ既知のTDEの増減は、それらがすべてヒルズ質量よりも軽いブラックホールの周囲で発生したことを示しており、より重い天体にも相対性理論が予測する事象の地平線が存在する可能性が高いことを示唆しています。

しかし、ストーン氏らは、もう一つの可能​​性を探求することに意欲的だ。ヒルズ質量の10倍の質量を持つ回転ブラックホールは、依然として星を飲み込むことができる。より多くの超新星爆発を発見すれば、天文学者は高質量で事象の発生率がどのように減衰するかを観察できるようになり、最速のブラックホール回転の理解に役立つはずだとストーン氏は述べた。

そうなれば、相対性理論の事象の地平線という概念が再び問題視されることになるかもしれない。回転するブラックホールには理論上の最大速度があり、それより速く回転するブラックホールが観測されれば、ブラックホールには確固とした外側の境界があるという考えに反することになる。

ありがたいことに、これらの様々なアイデアを検証するために必要な観測の糧は既に整いつつあります。この分野の始まりとは劇的に逆行し、新しいツヴィッキー・トランジェント・ファシリティ（Zwicky Transient Facility）は今や、安心できないほど多くの候補天体を観測しているとゲザリ氏は言います。彼女は、それぞれの価値のある天体について、追跡観測を行うのに十分な望遠鏡の観測時間を確保しようと、自身のリソースを逼迫させ始めています。

次の飛躍は間もなく訪れる。長らく延期されてきたドイツとロシアの共同ミッション「eRosita」が、計画通り2019年に打ち上げられれば、X線閃光として数百、数千のTDEを捉えるはずだ。コモッサが協力する中国のミッション「アインシュタイン・プローブ」も2022年に打ち上げ予定だ。さらに、現在チリで建設中で2022年に天空の観測を開始する予定の大型シノプティック・サーベイ望遠鏡（LSE）も、夜空に現れる様々な物体とともに、数百、数千のTDEを捉えるはずだ。

ラミレス＝ルイス氏にとって、この分野が始まったばかりの地味な時代からここまで成長したのは、現代の「天体映画撮影法」、つまり夜ごとに全天をタイムラプス動画で撮影する望遠鏡の登場による自然な帰結だ。タイムラプス現象は、ある銀河では1万年に一度程度、つまり不運な星がブラックホールに十分接近した時にしか発生しない。しかし、今では十分な数の銀河を一度に観測できるようになったため、「この分野は実際に爆発的に成長した」と彼は述べた。

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。