近傍のブラックホールを周回する太陽のような星を発見

1916年、カール・シュヴァルツシルトは、アインシュタインの「一般相対性理論」の場の方程式の解として、ブラックホールの存在を提唱した。20世紀半ばには、ブラックホールが周囲の天体や空間に与える影響を観測する間接的な手法で、初めてブラックホールを検出するようになった。1980年代以降、科学者たちは、宇宙のほとんどの巨大な銀河の中心に存在する超大質量ブラックホール(SMBH)を研究してきた。そして2019年4月までに、イベントホライゾンテレスコープ(EHT)共同研究により、これまでに撮影された SMBH の最初の画像が公開された。

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これらの観測は、最も極端な条件下で物理法則を検証する機会であり、宇宙を形作った力についての洞察を提供するものだ。最近の研究によると、国際研究チームはESAのガイア天文台のデータをもとに、奇妙な軌道の特徴をもつ太陽のような星を観測した。その軌道の性質から、研究チームはこの星がブラックホール連星系に属すると結論づけた。これは、太陽系に最も近いブラックホールであり、我々の銀河系には相当数のブラックホールが眠っていることを意味する。

この研究は、ハーバード・スミソニアン天体物理学センター(CfA)とマックス・プランク天文研究所(MPIA)のハーバード・ソサエティ・フェローであるカリーム・エル・バドリー氏が主導したものである。また、CfA、MPIA、カリフォルニア工科大学、カリフォルニア大学バークレー校、フラットアイアン研究所計算天体物理学センター(CCA)、ワイツマン科学研究所、パリ天文台、MITカブリ天体物理学・宇宙研究所、および複数の大学の研究者が参加している。本研究成果を記した論文は、英国王立天文学会の月刊誌「Monthly Notices of the Royal Astronomical Society」に掲載される予定だ。

エル・バドリー氏がUniverse Todayに電子メールで説明したように、これらの観測は、天の川銀河の通常の星に付随する休眠ブラックホールを特定するためのより広いキャンペーンの一部だった。「私は過去4年間、様々なデータセットと方法を用いて休眠ブラックホールを探してきました。私のこれまでの試みは、ブラックホールに見せかけた多様な連星を発見しましたが、この探索が実を結んだのは今回が初めてです。」」と彼は語る。

この研究のために、エル・バドリー氏と彼の同僚たちは、欧州宇宙機関(ESA)のガイア観測所によって得られたデータに頼っている。このミッションは、星、惑星、彗星、小惑星、銀河など、約10億個の天体の位置、距離、固有運動を10年近くかけて測定してきた。天の川の中心を回る天体の動きを追跡し(アストロメトリーと呼ばれる手法)、これまでで最も正確な3次元宇宙カタログを構築することを目指している。

エル・バドリー氏らは、Gaia Data Release 3 (GDR3) に含まれる16万8065個の星のうち、二体軌道を持つと思われるものをすべて調査した。その結果、特に有望な候補として、Gaia DR3 4373465352415301632 と名付けられた G 型星 (黄色い星) を発見し、研究チームはこれを Gaia BH1 と名付けた。El-Badry教授らは、この星の軌道解から、この星にはブラックホール連星があるに違いないと判断した。エル・バドリー氏は以下のように説明している。

「ガイアのデータは、この星がブラックホールの周りを楕円状に回っていることを明らかにしました。この軌道の大きさと周期から、未知の伴星の質量(太陽質量の10倍程度)を知ることができます。この『ガイア』の解が正しいことを確認し、ブラックホール以外の天体を除外するために、私たちは他の望遠鏡でこの星を分光観測しました。これにより、伴星の質量に対する制約が強化され、伴星が本当に『闇』であることが証明されたのです。」

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天の川を背景にしたESAのガイア天文台のイメージ図(Image Credit: ESO)

この観測を確認するため、研究チームは複数の望遠鏡で測定されたガイアBH1の動径速度を解析した。これには W. M. ケック天文台の高解像度エシェル分光器 (HIRES)、MPG/ESO 望遠鏡のファイバー式拡張光学分光器 (FEROS) 分光器、VLT の X シューター分光器、ジェミニ多天体分光器 (GMOS) 、マゼランエシェレット分光器 (MagE) 、大空間ファイバー分光望遠鏡 (LAMOST) が含まれている。

外惑星探査に用いられる方法(ドップラー分光法)と同様に、これらの観測装置から得られるスペクトルによって、軌道に影響を与える重力の観測と測定が可能になった。これらの観測により、ガイアBH1の軌道解と、およそ10太陽質量の伴星が同軌道にあることが確認された。この発見は、X線放射やその他のエネルギー放出に基づく観測では得られなかった、天の川銀河系初のブラックホールとなる可能性があると、エル・バドリー氏は指摘している。

「天の川には約1億個のブラックホールがあると言われています。しかし、私たちはそのうちの20個ほどしか観測していません。ブラックホールが伴星を食べることで、伴星の重力位置エネルギーが光に変わり、X線で明るく輝いているのです。しかし、これらは氷山の一角に過ぎず、もっと大きく離れた連星系に、もっと多くの天体が潜んでいるかもしれません。ガイアBH1の発見は、このような集団にいち早く光を当てたのです。」

もし確認されれば、これらの発見は、天の川に休眠ブラックホールの強固な集団が存在することを意味するかもしれない。これは、明るい円盤や放射線のバースト、極点から発せられる超高速ジェット(クエーサーによく見られるもの)からは見えないブラックホールを指す。もし、このような天体が銀河系に遍在しているとすれば、恒星や銀河の進化に多大な影響を与える可能性がある。しかし、この休眠ブラックホールが異常値であり、より大きな集団の存在を示していない可能性もある。

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1つの恒星(青)と新発見のブラックホール(赤)を持つ内部連星系と、より広い軌道を持つ別の恒星(同じく青)からなるHR 6819の三重星系の想像図(Image Credit: ESO/L. Calçada)

この発見を検証するために、エル・バドリー氏らは、5年間のノミナルミッションで収集されたすべてのデータを含むガイアデータリリース4(GDR 4)(日付は未定)に期待している。このリリースには、観測されたすべての恒星、連星系、銀河、系外惑星に関する最新の天体測定、測光、および半径方向速度カタログが含まれる。最後のリリースとなる第5弾 (GDR 5) には、ノミナルミッションと延長ミッション (10年間) のデータが含まれる。

「ガイアBH1が示唆するBHコンパニオンの出現率から、次のガイアのデータリリースでは、同様の系を何十個も発見できると推測されます。1つの天体だけでは、その天体が何を意味するのかを正確に知ることはできません。より大きなサンプルを使って、人口統計学的な研究ができることに興奮しています。」と、エル・バドリー氏は語る。

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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