天の川の宇宙空間に、「しし座I」という小さな銀河がある。私たちから100万光年弱の距離にある矮小な球形銀河だ。この銀河には、我々の銀河系にある射手座A*と同じ質量の超巨大ブラックホールが存在する。これはいくつかの点で珍しく、天文学者はこのブラックホールについてもっと知りたいと考えている。

この超巨大ブラックホールの名前は、「しし座I*」と言う。この銀河は、明るい星レグルスの近くにあるため、観測が難しいのだ。そのため、「しし座I*」の観測も困難を極める。そこで、ハーバード大学・スミソニアン大学天体物理学センターの天文学者は、この怪物的な超巨大ブラックホールが、なぜこんな小さな銀河の中に存在できるのかを研究する方法を開発中だ。

「ブラックホールは非常にとらえどころのない天体で、時には我々とかくれんぼを楽しむこともあります」と、今週発表された研究の主執筆者であるFabio Pacucci（ファビオ・パクッチ）氏は言う。「光線はその事象の地平線を逃れることはできませんが、その周囲の環境は、十分な物質がその重力の井戸に落ちれば、非常に明るくなることがあるのです。しかし、ブラックホールが質量を蓄積していない場合、その代わりに光を発しないため、我々の望遠鏡で見つけることは不可能になります。」

しし座Iとそのブラックホール

この銀河の超巨大ブラックホールの存在は、2021年に天文学者が、しし座Iの中心部の星が近づくと速度が上がることに気づき、示唆された。これはブラックホールの存在を示唆する明確な証拠となる。しかし、ブラックホールに渦巻く物質からの放射を画像化することは不可能だった。そのため、「しし座I」のブラックホールは、手の届かないところにあるのだ。

では、この矮小球状星にある超巨大ブラックホールは、なぜ理解されにくいのだろうか？その起源を探ってみよう。しし座Iは、他の多くの矮小球状星雲と同様、非常に「低金属」な銀河だ。確かに星はあるが、ガスはそれほど多くない。最近まで、天文学者はこの種の銀河の中心に超巨大ブラックホールがあるとは思っていなかった。なぜなら、超巨大ブラックホールは、近くにあるガスや他の物質を食べて成長するモンスターだからだ。金属やガスに乏しい銀河は、しし座Iのような巨大なブラックホールには不向きな環境といえるだろう。

また、しし座Iはかなり若い銀河だ。60億年前に始まり、約10億年前に終わった星形成の時代を最後に、その姿を消してしまったのだ。星形成は、大量のガスを飲み込む。さらに、この銀河は天の川銀河の周りを回っているため、接近して通過すると、より多くのガスが剥ぎ取られてしまうかもしれない。そうすると、星形成の速度が遅くなり、ブラックホールに必要な燃料が奪われてしまうのだ。もし「しし座I」に300万太陽質量のブラックホールがあるとしたら、それはどうやって大きくなったのだろうか？明らかに何かから成長し、今もゆっくりではあるが、成長している。また、発光しているわけではないので、どうやって観測するのだろうか？

超巨大ブラックホール「しし座I*」を観測する

Pacucci氏と研究パートナーのAvi Loeb（アヴィ・ローブ）氏は、超巨大ブラックホールの活動を追跡するためのトレーサーとして、赤色巨星を使うことを提案している。「我々の研究では、ブラックホール周辺をさまよう星から失われる少量の質量が、その観測に必要な降着率を提供する可能性を示唆しました。年老いた星は、非常に大きく、赤くなり、私たちはそれを赤色巨星と呼んでいます。赤色巨星は通常、強い風を持ち、その質量の一部を周囲に運んでいます。しし座I* の周りの空間には、このような古い星が十分にあり、観測可能な状態になっているようです。」と、Pacucci氏は述べている。

これは、ブラックホールとその環境についてより多くの情報を得ることができる、興味深い方法論だ。また、この超巨大ブラックホールの存在そのものについても、さらなる疑問が投げかけられている。この研究の共著者であるLoeb氏は、「しし座I*の観測は、画期的なものになるかもしれません。私たちの銀河系の中心にある超巨大ブラックホールに次いで2番目に近いもので、質量は非常に似ていますが、天の川銀河より1000倍も小さい銀河に受け入れられているのです。この事実は、銀河とその中心にある超巨大ブラックホールがどのように共進化してきたかについて、私たちが知っていることすべてを覆すものです。なぜ、スリムな親からこんな大きな赤ん坊が生まれたのでしょうか？」と語る。

ほとんどの銀河は、その総質量のわずかな割合の超巨大ブラックホールを中心に抱えている。天の川銀河もそうです。しかし、しし座I*はその型を破っている。「しし座Iの場合、もっと小さなブラックホールであることが予想されます」とLoeb教授は言います。「しし座Iには、太陽の数百万倍の質量のブラックホールがあり、天の川銀河のブラックホールと同じように見えるのです。科学は通常、予想外のことが起こったときに最も進歩しますから、これはエキサイティングなことです。」

電波望遠鏡を使ったしし座I*の探査

可視光でしし座I*を撮影する方法はないが、電波望遠鏡を使えば、しし座I*に焦点を当てることができることがわかった。研究チームはすでに、チャンドラX線望遠鏡、カール・ヤンスキー大型電波望遠鏡、アタカマ大型ミリ波望遠鏡で観測を行い、「しし座I*」の存在を確認している。これらの観測によって、ブラックホールの存在が確認され、その降着速度がある程度わかると期待される。

研究の要旨

最近、矮小銀河しし座Iの中心で、約3×106M⊙の超巨大ブラックホールが動的測定によって検出された。このブラックホールは、標準的なスケーリング関係より約2桁大きく、ガスのない、過去約1Gyrに渡って目立った星生成がなかった銀河にホストされている。この発見は、ブラックホールとそのホストの形成モデルに大きな影響を与える可能性がある。私たちは、SMBHのボンダイ半径内にある約100個の進化した星からの風が、星の質量損失の値に依存する9×10-8から9×10-7のエディントン比を持つ、相当な降着率を生み出すことを提案する。この値は、降着流が支配的なSMBHの典型的な降着速度である。予測されるスペクトルは、マイクロ波で約0.1-1THz（300-3000μm）にピークを持ち、それ以上のエネルギーでは降着率に依存して大きく変動することがわかった。また、6GHzにおける電波フラックスは約0.1mJyと予測され、降着の性質にやや依存する。チャンドラ望遠鏡、VLA、アタカマ大型ミリ波望遠鏡によるディープイメージングにより、このSMBHの存在を確認し、降着流を拘束することができる。