明滅する光は天文学者が超大質量ブラックホールの重量を測るのに役立つかもしれない

研究者がブラックホールについて一つだけ知りたいことがあるとしたら、おそらくその質量を知りたいと思う人が多いだろう。質量はブラックホールが形成されるかどうかを決定するものであり、ブラックホールに容赦ない重力を与えるものだ。しかし、何光年も離れた異様な物体の重量を測るのは簡単なことではなく、天体物理学者は必要な情報を引き出すためにさまざまな技術を開発してきた。

研究者グループが新たな手法を発見した。この手法は、宇宙で最も巨大なブラックホールだけでなく、白色矮星のような小さくて密度の高い天体にも使えるかもしれない。この種の測定には時間がかかるが、観測によって研究者は最終的に、これまでよりもさらに多くの巨大ブラックホールの重量を測定できるようになり、物理学者がほとんどの銀河を支配する巨大天体について新たな理解に到達するのに役立つ可能性がある。

「私たちの方法を使えば、何千もの物体のブラックホールの質量を測定できる可能性がある」とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の天体物理学者コリン・バーク氏は言う。

超大質量ブラックホールとその重さの測り方

ほとんどの銀河には、太陽の何百万倍から何十億倍もの質量を持つ超大質量ブラックホールが中心にあり、ガスと塵の円盤を引き寄せていると考えられています。ブラックホール自体は暗いままですが、これらの「降着円盤」は明るく輝いています。

天文学者がこれらの巨大な天体の重さを量る主な手段は、それらの閃光を待つことだ。閃光はランダムなタイミングで発生し、その理由はよくわかっていない。閃光の一部は地球にまっすぐ向かうが、他の光はブラックホールを取り囲むドーナツ状の塵でまず反射する。「反射」された光が遅れる時間が長いほど、ガス雲は大きくなり、ブラックホールは重くなる。

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この「反響マッピング」技術では、超大質量ブラックホールを長時間観察して、たくさんのちらつきを捉え、入射光をさまざまな波長に分割するほど注意深く観察する必要があります。天文学者はこの方法で数百のブラックホールの重量を測定してきましたが、それぞれを強力な望遠鏡で集中的に観測するには数週間かかります。

よりシンプルな計画

天文学者たちは長い間、反響の細部にこだわるのではなく、降着円盤全体の明滅から直接質量を推定できるのではないかと考えてきた。いくつかの研究チームは、ブラックホールの質量と降着円盤の揺らめく光の間に関連があるというわずかなヒントを発見した。しかし、ほとんどの研究は、どれも似たような明滅をする、太陽の質量の数千万から数十億倍にもなる最大のブラックホールにのみ焦点を当てていた。

バーク氏と共同研究者のユエ・シェン氏、そして他の研究者たちは、別の種類のブラックホールを観察することにした。それは、よく知られた矮小銀河の中心にある、太陽のわずか1万倍の質量しかない小さなブラックホールだ。NASAの衛星からのデータによると、その周囲の円盤のちらつきは、最大の巨大ブラックホールの光とはまったく異なっていた。質量とちらつきの関連性を突き止めた研究者たちは、昨年、その研究結果を発表した。

さらなる例を見つけるために、研究チームはできるだけ多くの超大質量ブラックホールに関するデータを歴史的記録から探し出した。降着円盤からの閃光は数日から数週間続くことがあるため、各ブラックホールの明るさを何年にもわたって観測する必要があった。研究チームは、スローン・デジタル・スカイ・サーベイ、ズウィッキー・トランジェント・ファシリティ、ダーク・エネルギー・サーベイなど、入手できるあらゆる長期にわたるスカイ・サーベイのデータを統合した。  

「私たちは1998年までさかのぼる光度曲線を使用しました」とバーク氏は言う。「十分な長さの[カバー範囲]を得るために、20年以上のデータを組み合わせるという大変な作業をしなければなりませんでした。」

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データが集まると、普遍的なパターンが明らかになった。巨大なブラックホールの周りの円盤は、明るいフレアの後、より軽い物体の周りの円盤よりも落ち着くまでにかなり長い時間がかかった。バーク氏はこの現象を、ろうそくの移り変わりやすい炎よりも、より安定して燃え、よりゆっくりと揺らめく焚き火に例えている。

降着円盤が標準の明るさに戻るまでの時間を計測することで、研究者は中心のブラックホールの重さを推測できる。研究チームはこの点で、太陽質量のおよそ数万から数十億までのブラックホールはすべて同じように振舞うことを発見した。彼らは木曜日にその発見について発表した。 サイエンス誌に掲載。

宇宙の重さを量る

このパターンはそれだけではない。バークと共同研究者が白色矮星（燃え尽きた恒星の中心核）を観測対象に加えたところ、その小さな降着円盤が、比較的小さなサイズにふさわしい激しい動きをしていることを発見した。白色矮星の質量は太陽の1倍程度しかないため、このパターンは細菌とシロナガスクジラの質量差ほどの幅広い質量範囲にわたって当てはまる。バークは、生まれたばかりの太陽系から中性子星まで、適切な種類の円盤で囲まれたあらゆる天体で同様の関係が当てはまるのではないかと考えている。

「単なる幾何学の問題である普遍的な原理が存在するというのは、素晴らしいことだ」と彼は言う。

将来の研究グループは、同様の分析を行うのにそれほど苦労する必要はないだろう。ヴェラ・C・ルビン天文台が数年後に稼働を開始すると、数夜ごとに全天をスキャンし、最終的には天体のピンポイントの膨大なカタログを作成し、それぞれの明滅を記録することになる。これはまさに、天体物理学者が新しい方法で何千ものブラックホールの重量を測定するのに必要なデータである。

より多くの質量を蓄積することで、研究者はブラックホールとそのホスト銀河の間の密接だが神秘的なつながりを理解できるようになるかもしれない。たとえば、控えめな種は、周囲の広大な銀河領域全体の温度と星形成を何らかの形で制御している。

バーク氏は、このパターンを利用して、太陽質量の数倍のブラックホールと超大質量ブラックホールの間にあるまばらな無人地帯を探索したいと考えている。宇宙の巨大ブラックホールは、いわゆる中間質量ブラックホールから成長した可能性があるが、ゴルディロックス天体はごくわずかであるように思われる。しかし、もしそれらの天体に降着円盤があれば、新たな光と質量の関係はそれらの天体に悪影響を及ぼすことになるだろう。

「今、私たちは何を探すべきか分かっています」とバーク氏は言う。