天文学者は、揺れる星の物質を使って超大質量ブラックホールの回転を測定

宇宙にはおよそ 1,000 億個の超大質量ブラックホールがあり、まるで天体のハリケーンのように絶えず回転している。国際的な天文学者チームは、ブラックホールの潮汐破壊イベントの余波を利用して、ブラックホールの回転速度を測定する新しい方法を発見した。この新しい方法は、5 月 22 日にNature誌に掲載された研究で詳しく説明されており、ブラックホールの進化に光を当てている。

あなたは私をぐるぐる回す

すべてのブラックホールは、長い時間をかけて宇宙の集合的な遭遇によって形成された特徴的な回転を持っています。ブラックホールは、主に恒星の物質が降着円盤に落ち込むことで成長した場合、より速く回転します。他のブラックホールと合体することで主に成長するブラックホールは、スピンが出会うたびに速度が遅くなるため、より遅く回転します。

[関連:巨大な恒星質量ブラックホールは、天の川銀河でこれまでに発見された中で最大のものである。]

ブラックホールが回転すると、周囲の時空も一緒に引きずり回されます。この引きずり効果は、レンス・サーリング歳差運動の一例です。この 106 年前の理論は、非常に強い重力場が周囲の空間と時間を引っ張る仕組みを説明しています。ブラックホールは光を発しないため、この効果は通常、ブラックホールの周囲ではそれほど顕著ではありません。

閃光を追って

物理学者たちは最近、ブラックホールの潮汐破壊現象（TDE）の後、引きずり回される恒星の破片からの光を追跡する機会が科学者にあるかもしれないと提唱した。これはブラックホールの回転を測定するのに役立つかもしれない。

この研究で、研究チームはブラックホールの TDE を利用して、ブラックホールの回転を測定する新しい方法を考案しました。TDE は、ブラックホールが通過する恒星に潮汐力を与え、その後恒星を粉々に引き裂くときに発生する非常に明るい瞬間です。恒星がブラックホールの巨大な潮汐力によって引き裂かれると、恒星の半分が吹き飛ばされます。残りの半分はブラックホールの周りに広がり、回転する恒星物質の非常に高温の降着円盤を形成します。

TDE の間、科学者は星があらゆる方向からブラックホールに落下する可能性があると予測しています。この落下により、白熱した細断された物質のディスクが生成され、ブラックホールの回転に対して傾く可能性があります。ディスクがブラックホールの回転に遭遇すると、ブラックホールに引き寄せられて一直線に並び、ぐらつきます。ディスクがブラックホールの回転に落ち着くと、ぐらつきは最終的に止まります。ディスクがブラックホールの回転に遭遇すると、ブラックホールに引き寄せられて一直線に並び、ぐらつきます。そのため、TDE のぐらつくディスクは、ブラックホールの回転の測定可能な特徴になる可能性があります。

「しかし、鍵となるのは正しい観測を行うことです」と、研究の共著者でMITの天体物理学者ディーラジ・「DJ」・パシャム氏は声明で述べた。「これを実現する唯一の方法は、潮汐破壊イベントが発生したらすぐに望遠鏡でこの物体を長時間連続的に観測し、数分から数ヶ月まであらゆる時間スケールで調査できるようにすることです。」

2020年2月、研究チームは地球から約10億光年離れた銀河AT2020ocnから発せられる明るい閃光を検出した。光学データから、この閃光はTDE直後の瞬間であることが明らかになった。非常に明るく、比較的近かったため、研究チームは、ブラックホールのホスト銀河の中心の回転を測定するのに最適な候補になると考えていた。

[関連: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定するのに役立つ可能性があります。]

国際宇宙ステーションに搭載されたNASAの中性子星内部組成探査機（NICER）X線望遠鏡を使用して、研究者らは数か月にわたってAT2020ocnを継続的に監視することができた。研究者らは、潮汐破壊イベントの最初の検出後、200日以上にわたってこの現象を追跡した。このイベントは、15日ごとにピークに達するX線フラッシュを放出し、その後徐々に止まった。

研究者たちは、潮汐破壊イベントの直後にブラックホールが発するX線フラッシュのパターンを追跡することで、近くの超大質量ブラックホールの回転を測定した。このために研究者たちは数ヶ月にわたってフラッシュを追跡し、ブラックホールの回転が恒星の物質を押したり引いたりして前後に揺れる明るく熱い降着円盤の信号である可能性が高いと判断した。

ブラックホールにしてはかなり遅い

ディスクの揺れが時間とともにどのように変化するかを追跡することで、科学者たちはディスクがブラックホールの回転によってどの程度影響を受けているかを解明することができました。研究チームによると、これによりブラックホール自体の回転速度が明らかになりました。研究チームは、ブラックホールが光速の 25 パーセント未満の速度で回転していることを発見しました。この速度は比較的遅いもので、現在、ブラックホール Cygnus X-1 は実際の光速に非常に近い速度で回転しています。

「今後数年間にこの手法でいくつかの系を研究することで、天文学者はブラックホールのスピンの全体的な分布を推定し、それが時間の経過とともにどのように進化するかという長年の疑問を理解できるようになります」とパシャム氏は語った。

この新しい方法は、今後数年間で地球近くにある何百ものブラックホールの回転を測定するのに使用できる可能性があります。ルービン天文台を含む新しい望遠鏡が稼働するようになれば、これらの回転を正確に測定する機会が増える可能性があります。

「超大質量ブラックホールのスピンは、そのブラックホールの歴史を物語ります」とパシャム氏は言う。「たとえルービンが捉えたブラックホールのごく一部にこの種の信号があったとしても、今では何百もの超大質量ブラックホールのスピンを測定する方法があります。そうすれば、宇宙の年齢とともにブラックホールがどのように進化してきたかについて大きな声明を出すことができるでしょう。」