天文学者は、驚くほど見つけにくい中型ブラックホールを発見したかもしれない

天文学者が宇宙のブラックホールの調査を続けるにつれ、何か大きなものを見逃していることがますます明らかになりつつある。宇宙の行き止まりには、小さいものとあり得ないほど大きいものの2つのサイズがあり、真ん中に目立つ隙間がある。

研究者たちは、主にブラックホール同士が衝突したときに放出される時空の波紋を通じて、太陽の何十倍もの質量を持つ、ごく小さな「恒星質量」ブラックホールの数を数えている。これらのブラックホールは、恒星が死んで超新星爆発を起こした後に残される、おなじみの墓石である。

そして天文学者は、スケールの反対側にある「超大質量」ブラックホールを見逃すことはできません。これらのモンスターは銀河全体を固定し、太陽系と同じ大きさの領域に太陽の数百万から数十億個に相当する質量を詰め込んでいます。また、宇宙で最も明るいスポットライトの 1 つである紛れもないエネルギーのジェットを噴射します。

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多くの研究者は、3 番目のグループが穴をふさぐはずだと考えている。それは、太陽の数千から数十万倍の質量を持つ、いわゆる「中間質量」ブラックホールだ。合体して超大質量ブラックホールを形成するほどの大きさだが、これらの膨張した怪物は、ほとんど検出できないだろう。合体しても、現在の重力波観測所は動揺せず、燃え盛るジェットを放出することもない。天文学者は奇妙な X 線フレアにその兆候に気づいているが、決定的なものはない。

オーストラリアの研究者3人が、ついにこれらの宇宙の幻影を解明する方法を見つけたかもしれない。彼らの言うことが正しければ、天文学者は数十年も前から、無意識のうちに重要な証拠を手にしていたことになる。1990年代のNASAの古い高エネルギーフレアのカタログを調べたところ、チームは興味深いシグナルを発見した。奇妙なガンマ線の二重閃光で、中間ブラックホールが実在するだけでなく、ありふれたものであることを示唆している。

「データはかなり長い間そこに放置されていた」と、この研究の共著者であるメルボルン大学の天体物理学部長レイチェル・ウェブスター氏は語った。

二重に見える

ウェブスターは、目に見えないものを観察するこの方法について30年間考え続けてきた。当時、天文学における最大の謎はガンマ線バーストだった。ガンマ線バーストとは、想像を絶するほど強力な高エネルギー光の爆発だ。その原因は誰も知らなかったが、バーストはあらゆる方向から来ているようだった。もしそれが宇宙の彼方からやってくるビーコンなら、天文学者はそれを使って、間にある暗闇を探ることができるかもしれないと、ウェブスターと同僚は1992年に考えた。

目的は、繰り返し発生するガンマ線バーストを探すことだ。天文学者は現在、ガンマ線バーストが恒星の大爆発や中性子星の衝突によって発生するとわかっているが、これは厄介な現象だ。まったく同じものは二つとない。しかし、もし何らかの物質の塊、たとえば中質量ブラックホールが、宇宙を駆け抜けるガンマ線に干渉すれば、宇宙のいたずらになる可能性がある。その重力で一部のガンマ線が迂回する可能性がある。この光が地球に遅れて到着すると、天文学者は二つの同じ閃光を目にすることになる。

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ウェブスターの大学院生、ジェームズ・ペインターが、1990年代にNASAのコンプトンガンマ線観測所が収集した2,700のガンマ線バーストのデータベースを精査するソフトウェアを書いたとき、一組のバーストが飛び出してきた。20年以上前、衛星は1回の閃光を観測した。数秒後、衛星は同じバーストを再び観測した。2.7秒の遅延は、ガンマ線の一部が障害物、つまり太陽55,000個分の重さがある目に見えない塊にぶつかったことを意味していた。

ペインター氏はウェブスター氏に候補者を連れてきたが、期待しすぎないようにした。彼女は信号をストレステストするようアドバイスした。「私は『あまり興奮しすぎないで。もっと高いハードルが必要です』と言いました」と彼女は思い出した。

ペインター氏は、最近天文学で重力波検出器によって普及した高度な統計手法を学び、実装するのに数ヶ月を費やした。この手法では、研究者は似たような信号を注意深く区別する必要がある。この「ベイズ」分析を使用して、ペインター氏はバーストが同じイベントから発生した確率を 99.4 パーセントと計算した。「最後には、私はかなり確信していました」とウェブスター氏は語った。

中間質量ブラックホールだけが説明の根拠ではない。星団や暗黒物質の塊など、暗くて質量の大きい他の物体もガンマ線の進行を遅らせた可能性がある。しかし、そのような星団はまれであり、暗黒物質のうねる雲は光を異なる方向に曲げる傾向がある。そのため、研究チームは中間質量ブラックホールが最も可能性の高い原因であると考えている。研究結果は月曜日、ネイチャー・アストロノミー誌に発表された。

群衆の中の一人

モナッシュ大学の天体物理学者エリック・スレイン氏を含む研究チームは、この現象から可能な限りすべての情報を抽出した。中間質量ブラックホールに関する他の噂も、この伝説の天体が存在するという確信を高めているが、二重ガンマ線バーストを特定することが、このグループ全体を研究する最初の方法である。

「我々の発見の本当の力は、質量を推定できるだけでなく、その空間密度も推定できることだ」とウェブスター氏は語った。

研究チームが数千回に渡る二重閃光のうちたった 1 回しか観測していないという事実は、意味深い。中間ブラックホール (または同様の大きさの暗黒物体) は、ありふれたものではない。そうでなければ、ペインター氏はたくさん発見していたはずだ。また、100万回の閃光を調べる必要もなかったため、それほど珍しいものでもない。数千回に 1 回の割合は、直径 300 万光年の立方体には 2,000 個以上の中間ブラックホールが存在するはずであることを示唆している。そして、研究者らは、私たちの天の川銀河には、このような大ブラックホールが約 45,000 個あると見積もっている。

もし彼らの言うことが正しければ、今回の検出は暗い氷山の一角に過ぎないかもしれない。ウェブスター氏は次に、何千もの未分析のガンマ線バーストを含む他の目録を「急いで調べる」予定だ。暗闇の中でもう 1 組の閃光を見つけるには十分すぎるほどだ。

「それは本当に決定打となるでしょう」とウェブスター氏は言う。「1つならいつでも抜け道は考えられます。2つなら抜け道を考えるのは難しいのです。」