「不正ブラックホール」は「不正」でも「ブラックホール」でもないかもしれない

太陽の20倍の質量を持つ恒星が死ぬと、超新星爆発を起こし、重力の助けを借りて高密度のブラックホールに押し戻されることがあります。しかし、その爆発は完全に対称的になることは決してないため、結果として生じたブラックホールは宇宙に飛び去ることがあります。これらのさまよう物体は、他の天体に縛られずに自由に漂っているため、「放浪ブラックホール」と呼ばれることがよくあります。

しかし、カリフォルニア大学バークレー校の天文学准教授ジェシカ・ルー氏によると、この名称は「誤称」かもしれないという。同氏は、これらのブラックホールを表現するのに「自由浮遊」という用語を好んでいる。「無法者」という語は、ブラックホールが珍しい、普通でない、あるいは悪事を企んでいることを暗示していると同氏は言う。

それは決して事実ではありません。天文学者たちは、銀河系内には 1 億個ものブラックホールが存在していると考えています。しかし、それらは孤立しているため、見つけるのは非常に困難です。最近まで、これらのいわゆる「放浪ブラックホール」は理論と計算を通じてのみ知られていました。

「いわば幽霊です」と、天の川銀河の自由に浮遊するブラックホールを見つけることを使命としているルー氏は言う。

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今年初め、2つの宇宙研究者チームが別々に、こうした移動ブラックホールの1つと思われる物体の検出を発表した。1つのチームは、ルー研究室の大学院生、ケーシー・ラム氏が率いていた。もう1つのチームは、宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者、カイラシュ・C・サフ氏が率いていた。両チームとも、専門家の審査を受けずに、オープンアクセスのウェブサイトに論文を掲載した。

科学者たちは10月にハッブル宇宙望遠鏡からさらなるデータを得る予定で、ルー氏によると、それは「これがブラックホールなのか中性子星なのかという謎を解く」のに役立つはずだという。「星がどのように死ぬのか、そしてそれが残すゴーストの残骸については、まだ多くの不確実性があります」と彼女は指摘する。太陽よりもはるかに重い星は、核燃料がなくなると、ブラックホールか中性子星に崩壊すると考えられている。「しかし、どれが死んで中性子星になるのか、死んでブラックホールになるのかは正確にはわかっていません」とルー氏は付け加える。「ブラックホールがいつ生まれ、星がいつ死ぬのかはわかりません。激しい超新星爆発が起こるのでしょうか？それとも、直接ブラックホールに崩壊し、ちょっとしたげっぷをするだけなのでしょうか？」

私たちが知っている世界のあらゆるものは星の成分からできており、星の死後の世界を理解することは、私たち自身がどのようにして生まれたのかを理解する鍵となります。

自由になったブラックホールを見つける方法

ブラックホールは本来目に見えない。ブラックホールは遭遇する光をすべて閉じ込めるため、人間の目には何も認識できない。そのため、天文学者はこれらの高密度で暗い物体を検出するために創意工夫を凝らさなければならない。

通常、ブラックホールの非常に強い重力によって引き起こされる可能性のあるガス、塵、星、その他の物質の異常を探します。ブラックホールが他の天体から物質を引き裂いている場合、ブラックホールを取り囲む破片の円盤が明るく見えることがあります。（これは、天文学者が2019年にブラックホールの直接画像を初めて撮影し、今年初めに天の川銀河の中心にあるブラックホールの画像も撮影した方法です。）

しかし、ブラックホールが重力で混乱を引き起こしていない場合、検出できるものはほとんどありません。これは、移動するブラックホールの場合によくあることです。そのため、ルー氏のような天文学者は、天体測定法または重力マイクロレンズ法と呼ばれる別の手法を使用します。

「私たちがやっているのは、これらの自由浮遊ブラックホールの 1 つと背景の星が偶然一直線になるのを待つことです」と Lu 氏は説明します。「2 つが一直線になると、背景の星からの光は [その前にある] ブラックホールの重力によって歪められます。それは [天文データでは] 星の明るさとして現れます。また、いわば、空で少し揺れ動きます。」

背景の星は実際には動いていません。むしろ、ブラックホールや他のコンパクトな天体がその前を通過すると、その進路から外れたように見えます。アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によれば、これはブラックホールの重力が時空構造を歪ませ、星の光を変えるためです。

天文学者は、超新星から恒星の周りを移動する太陽系外惑星まで、宇宙のあらゆる一時的な現象を研究するためにマイクロレンズ法を利用している。しかし、地球の大気によって画像がぼやける可能性があるため、地上の望遠鏡でこれを実行するのは難しい。

「天体測定では、何かの位置を非常に正確に測定しようとします。非常に鮮明な画像が必要です」とルー氏は説明します。そのため、天文学者はハッブル宇宙望遠鏡などの宇宙望遠鏡と、大気の干渉に適応する高度なシステムを備えた地上の機器に頼っています。「この天体測定を行うことができる施設は、実際には世界に 3 つしかありません」とルー氏は言います。「私たちは、今日のテクノロジーでできることの最先端で取り組んでいます。」

最初の異常ブラックホール？

ルー氏とサフ氏の両チームが2011年にハッブル宇宙望遠鏡のデータで発見したのは、その明るさの増加、つまりルー氏が言うところの「重力レンズ現象」だった。彼らは、何かがその星の前を通過しているに違いないと推測した。

星の光の揺れと強度の変化の原因を解明するには、明るさと位置という 2 つの測定が必要です。天文学者は、時間の経過とともに空の同じ場所を観察し、物体が星の前を通過するときに光がどのように変化するかを確認します。これにより、その物体の質量を計算するために必要なデータが得られ、それがブラックホールであるか中性子星であるかを判断できます。

「レンズ効果を起こしているものが重いことはわかっています。一般的な恒星よりも重いこともわかっています。そして暗いこともわかっています」とルー氏は指摘する。「しかし、正確にどれくらい重いか、どれくらい暗いかはまだよくわかっていません」。ほんの少し重いだけ、たとえば太陽の1.5倍の質量であれば、それは実際には中性子星である可能性があります。しかし、太陽の3倍から10倍の質量であれば、それはブラックホールになるだろうとルー氏は説明する。

2つのチームが2011年から2017年にかけてデータを収集したところ、その分析でそのコンパクトな天体の質量が明らかに異なることが明らかになった。サフ氏のチームは、この移動天体の質量は太陽の7倍で、まさにブラックホールの領域に入ると判断した。しかし、ラム氏とルー氏のチームは、その質量は太陽の1.6倍から4.4倍の間と計算し、両方の可能性をカバーしている。

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天文学者たちは、背景の星が通常どのくらい明るいか、また、その前を何かが通過していないときの空の位置を知る機会がなければ、どちらの計算が正しいのか確信が持てない。彼らはその星の異常な明るさと揺れに気づくまで、その星に注目していなかったため、レンズ効果が薄れてきた今になってようやく、その基準となる観測を行う機会を得たのだとルー氏は説明する。その観測は、秋に発表されるハッブル宇宙望遠鏡の新しいデータから得られる予定だ。

わかっているのは、問題の物体が天の川銀河のいて座・カリーナ渦巻き腕にあり、現在地球から約 5,000 光年離れているということだ。この発見は、最も近い移動ブラックホールが 100 光年以内の距離にある可能性も示唆していると Lu 氏は言う。しかし、それは心配する理由にはならない。

「ブラックホールは消耗品です。十分近づけば飲み込まれてしまいます」とルー氏は指摘する。「でも、私たちが通常想像するよりもずっと近づかなければなりません」。ブラックホールの周囲の境界線、つまり光が重力から逃れられる境界線は事象の地平線と呼ばれ、半径は通常20マイル未満だ。

徘徊するブラックホールが私たちの天界の近隣を通過して地球上の生命を混乱させる可能性は「天文学的に小さい」とルー氏は言う。「それは都市の大きさに等しい。だからブラックホールが太陽系を通過しても、私たちはほとんど気づかないだろう。」

しかし彼女はそれを否定してはいない。「私は科学者です」と彼女は言う。「可能性がないとは言えません。」

最初のチームが発見したのは移動中のブラックホールか中性子星かに関わらず、「この2つの論文が示している本当の革命は、明るさと位置の測定を組み合わせてこれらのブラックホールを見つけることができるようになったことです」とルー氏は言う。これにより、特にチリで現在建設中のヴェラ・C・ルビン天文台や、10年後に打ち上げが予定されているナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡など、新しい望遠鏡が稼働するようになるにつれて、より多くの光を捕らえる移動天体の発見への扉が開かれることになる。

ルー氏の見方では、「私たちの銀河におけるブラックホール研究の次の章はすでに始まっている」という。