最初の「ブラックホールトリプル」は驚くほど穏やかな形で形成された可能性がある

物理学者たちは初めて宇宙で「ブラックホール三重体」を観測した。この新しいシステムは地球から約8,000光年離れており、中心のブラックホールが、そのすぐ近くを渦巻く小さな星を飲み込んでいるところから構成されている。驚いたことに、2つ目の星も中心のブラックホールを周回しているようだが、その距離ははるかに離れている。この発見は10月23日付けのネイチャー誌に掲載された研究で説明されている。

トリプルヒット

科学者が発見したブラックホールのほとんどは、連星系と呼ばれるペアの一部であるようです。これらのシステムは、ブラックホールと、恒星、はるかに密度の高い中性子星、または別のブラックホールなどの二次的な物体で構成されています。連星系は互いに螺旋状に回り、ブラックホールの重力によって引き寄せられます。

この新しいブラックホール三重体には、中心のブラックホールを周回する追加の天体があります。近い方の星は、約 6.5 日ごとにブラックホールを周回します。著者らは、より遠い伴星は、7 万年ごとにブラックホールを周回すると推定しています。

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ブラックホールが、非常に遠くにある物体を重力で捕らえているように見えることから、ブラックホール自体の起源について疑問が生じています。科学者は、ブラックホールは超新星、つまり死にゆく星の激しい爆発から形成されると考えています。超新星爆発の間、星は目に見えないブラックホールに崩壊する前に、最後の一撃で大量のエネルギーと光を放出します。

もしこの新たに観測されたブラックホールが典型的な超新星爆発によって生じたものであるなら、最終的に崩壊する前に放出されたエネルギーは、その外縁部を周回する緩く結合した物体を蹴り飛ばしたはずだ。理論上は、その2番目の外側の星は今もその周囲にとどまっているはずはない。

研究チームは、ブラックホールはより穏やかなプロセス、つまり直接的な崩壊によって形成されたと考えている。直接的な崩壊では、星は単に自分自身に陥没し、最後の劇的な爆発を起こさずにブラックホールを形成する。このような穏やかな起源は、緩く結合した遠くの物体を実際に乱すことはないだろう。

新しい三重連星系には非常に遠く離れた恒星が含まれているため、この系のブラックホールは、より穏やかな直接的な崩壊によって生まれた可能性がある。天文学者は何世紀にもわたって激しい超新星を観測してきたが、この新しい三重連星系は、このより穏やかなプロセスによって形成されたブラックホールの最初の証拠となるかもしれない。

「ほとんどのブラックホールは星の激しい爆発から形成されると考えられていますが、この発見はそれに疑問を投げかけるものです」と、研究の共著者でMITの物理学者ケビン・バージ氏は声明で述べた。「このシステムはブラックホールの進化にとって非常に興味深いものであり、さらに三重ブラックホールが存在するかどうかという疑問も生じています。」

偶然の発見

この発見もほとんど偶然に起こった。物理学者たちは、宇宙や世界中の望遠鏡で撮影された天文観測のリポジトリ「Aladin Lite」を調べているときにこの発見をした。彼らは Aladin Lite を使用して、さまざまなエネルギーと光の波長に調整されたさまざまな望遠鏡で撮影された空の同じ部分の画像を検索した。

当初、彼らは天の川銀河内で新しいブラックホールの兆候を探していました。好奇心から、バージは地球から約 8,000 光年離れたブラックホール、V404 Cygni の画像を調べました。1992 年、V404 Cygni は宇宙でブラックホールであることが確認された最初の天体の 1 つになりました。それ以来、1,300 を超える科学論文で記録され、最もよく研​​究されているブラックホールの 1 つです。しかし、これらの研究のいずれも、この奇妙な 3 つのシステムについて報告していませんでした。

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バージ氏は、V404 Cygni の光学画像を見ているときに、互いに近接した 2 つの光の塊のようなものを目にしました。最初の塊はブラックホールと、その近くを周回する内側の星です。その星はブラックホールに非常に近いため、ブラックホール自体に物質の一部を放出し、可視光を発しています。しかし、2 番目の光の塊は、これまで観測されたことのない非常に遠い星から来ている可能性が高いです。

「これほどの距離を越えて二つの別々の星が見えるということは、実はその二つの星がかなり離れているということだ」とバージ氏は言う。

計算により、外側の恒星はブラックホールから 3,500 天文単位 (AU) 離れていることがわかった。1 AU は地球と太陽の間の距離である。したがって、外側の恒星はブラックホールから、地球と太陽の間の距離の 3,500 倍、つまり冥王星と太陽の間の距離の 100 倍も離れていることになる。

研究チームは次に、外側の星がブラックホールとその内側の星の両方と関連しているかどうか疑問に思いました。答えを見つけるために、研究チームは、銀河のすべての星の動きを10年間追跡している衛星ガイアに目を向けました。研究チームは、過去10年間のガイアのデータに基づいて内側と外側の星の動きを分析し、近くの星のいくつかと比較して、星が連動して動いていることを発見しました。研究チームの計算によると、このような連動運動の確率は約1000万分の1です。

「これはほぼ間違いなく偶然や事故ではありません」とバージ氏は言う。「私たちが見ているのは、2つの星が弱い重力の糸でつながっているため、互いに追従している様子です。ですから、これは三重連星系に違いありません。」

（宇宙）凧揚げに行こう

そこで研究チームは、そもそもこの系がどのようにして形成されたのか疑問に思った。典型的な超新星の激しい爆発によって、この外縁星はずっと昔に吹き飛ばされていたはずだ。

「凧を引っ張っているところを想像してください。強い糸ではなく、蜘蛛の巣で引っ張っているのです」とバージ氏は言う。「強く引っ張りすぎると、蜘蛛の巣が切れて凧が失われます。重力は、かろうじて束ねられた非常に弱い糸のようなもので、内側の連星系に劇的な変化を与えると、外側の星が失われることになります。」

この凧糸理論を検証するために、バージ氏はコンピューターシミュレーションを実行し、この種の三重星系がどのように進化し、外側の星を維持してきたのかを調べました。

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各シミュレーションの始めに、彼は 3 つの星を導入しました。3 番目の星はブラックホールになる前のブラックホールです。その後、彼は何万ものシミュレーションを実行しました。各シミュレーションでは、3 番目の星がブラックホールになり、他の 2 つの星の動きにどのような影響を与えるかについて、少しずつ異なるシナリオが設定されていました。たとえば、彼は超新星をシミュレートし、エネルギーの量と、そのエネルギーが移動する方向を変更しました。また、3 番目の星がエネルギーを放出することなく、自分自身に陥没してブラックホールを形成する直接崩壊のシナリオもシミュレートしました。

「シミュレーションの大半は、このトリプルを機能させる最も簡単な方法は直接的な崩壊であることを示している」とバージ氏は言う。

この外側の余分な星によって、この星系の年齢も明らかになった。研究チームは、外側の星が赤色巨星になる過程にあることを観測した。赤色巨星は星の寿命の終わりに起こる段階である。この変化に基づいて、研究チームは外側の星の年齢は約 40 億年であると考えている。隣接する星はほぼ同時期に誕生しているため、研究チームはこのブラックホール三重星も 40 億年であると信じている。

「古いブラックホールについて、このようなことはこれまで一度もできなかった」とバージ氏は言う。「今回の発見により、V404 Cygni が三重連星の一部であること、直接的な崩壊によって形成された可能性があること、そして約 40 億年前に形成されたことがわかった。」