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ブラックホールに近づきすぎた星

ブラックホールは、物理学の限界に挑む謎めいた天体である。最も質量の大きなブラックホールは、我々の銀河系のような大きな銀河の中心に潜んでいる。ブラックホールは銀河の中心を支配し、星が近づきすぎると、ブラックホールの強力な重力によって星が引き裂かれ、星が食べられてしまう。どんなに巨大な星でも抵抗することはできない。

しかし、超大質量ブラックホール(SMBH)は、最初からそれほど巨大だったわけではない。膨大な時間をかけて物質を吸収し、他のブラックホールと合体することによって、巨大な質量を持つに至ったのだ。

超大質量ブラックホールがどのように成長し、進化していくのか、私たちの理解には大きな空白がある。その空白を埋めるために、天体物理学者はブラックホールが星を消費していく様子を観察しているのだ。

ブラックホールは光さえも通さないので、直接観測できないことは誰もが知っている。しかし、ブラックホールはその周囲をほぼ完全に支配しており、近くの物質を意のままに曲げることで、複数の波長の光のスペクタクルを作り出している。

その光を観測するための強力なツールがある。NASAのNuSTAR(Nuclear Spectroscopic Telescope Array)はその一つだ。2012年に打ち上げられた宇宙望遠鏡で、SMBHのような天体物理的な天体からのX線を観測している。

そのNuSTARが、『The Astrophysical Journal』に掲載された新しい研究で、重要な役割を果たした。タイトルは「The Tidal Disruption Event AT2021ehb: Evidence of Relativistic Disk Reflection, and Rapid Evolution of the Disk–Corona System」である。筆頭著者はカリフォルニア工科大学の大学院生、Yuhan Yao氏だ。

AT2021ehbは、地球から約2億5000万光年離れた銀河のSMBHで起きた潮汐破壊現象(TDE)と呼ばれるものだ。このSMBHは、太陽の約1000万倍の質量を持っている。ブラックホールが星を破壊した例としては5番目に近く、NuSTARや他の望遠鏡でTDEを研究する有利な機会を与えてくれた。

ブラックホールは、降着円盤と呼ばれる広大な円盤に取り囲まれていることがある。降着円盤は、長い時間(時には数千年)の間に形成されたガスの集積体だ。降着円盤の幅は数十億マイルにもなり、ブラックホールに向かって渦を巻くと、ガスが加熱され、銀河全体を覆い尽くすこともある。円盤とその光がなければ、ブラックホールは単なるブラックホールでしかないからだ。

円盤が明るくても、ブラックホールによって星が分解され、その星が消費されると、円盤からの光が見えるのだ。TDEは、始まりから終わりまで数週間から数ヶ月と短いので、観測対象として有力なのだ。天体物理学者は、明白な理由から、全体を観測できる事象に特に関心を寄せている。

この星がブラックホールによって引き裂かれたとき、遅れてX線の放射が劇的に増加した。このX線は、TDEがコロナと呼ばれるブラックホール上部の構造で超高温の物質を作り出していることを示す信号なのだ。そこで、NuSTARの出番となる。AT2021ehbが私たちの近くに来たことで、天体物理学者は、コロナを観測し、ブラックホールが恒星を完全に飲み込む前に恒星物質がどうなるかを観察する素晴らしい機会を得た。

ブラックホールに最も近い領域は、ガスがぎっしりと詰まっている。そのため、ガスが極度に加熱され、原子から電子が剥ぎ取られてプラズマが発生する。コロナは、この10億度のプラズマでできている。その正確な形成原因はまだ研究中だが、おそらく降着円盤の磁力線と関係があると思われる。円盤の外側の領域では磁力線が予測できるが、より内側の領域では、磁力線が絡まったり切れたり再接続されたりする可能性がある。その活動によって粒子が加速され、超高温のコロナが形成され、X線が放出される可能性があるのだ。

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ブラックホールの周囲に磁力線がどのように配置されているかを示す画像。2022年の研究で、ブラックホールはジェットを放出する前にコロナを形成することがわかった。(Credit: M. Weiss/CfA)

「潮汐崩壊現象は一種の宇宙実験室です」と、ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者である研究共著者のSuvi Gezari氏は言う。「彼らは、銀河の中心に潜む巨大なブラックホールがリアルタイムで餌を与えていることを知るための窓なのです。」

Nature Astronomyの以前の2022年の研究は、ブラックホールがそのジェットを放出する時、コロナから物質を一緒に運ぶことを示した。「論理的に聞こえますが、コロナとジェットが単に同じものであるかどうかについて、20年間議論がありました。」と、その研究の主執筆者である天体物理学者Mariano Méndez氏は言う。「今、私たちは、それらが次々と発生し、ジェットがコロナから続いていることを見ています。」

しかし、その研究は、TDEの観測に基づいたものではなかった。今回の研究は、我々の理解をさらに進め、ブラックホールに近づきすぎた星と、ブラックホールの相対論的ジェットの前駆体であるコロナの形成との間の関連性を示しているのだ。

星がブラックホールに近づきすぎると、まずホールに近い星がバラバラになる。すると、星の球形が破壊されてガスの流れができ、それがブラックホールの降着円盤に流れ込んで、ブラックホールのまわりで渦を巻き始めるのだ。そして、その流れはブラックホールの降着円盤に流れ込み、ホールのまわりで渦を巻き始める。この衝突によって衝撃波が発生し、ガスの流れが外側に向かうと科学者たちは考えている。これらの流れは、紫外線やX線など、あらゆるスペクトルの光を放出する。

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この図は、超大質量ブラックホールに食い荒らされた星からの物質の流れが光っている様子を示している。(Credit: NASA/JPL-Caltech)

やがて物質が落ち着くと、発光も静かになる。星が引き裂かれ、物質が加熱され、そして冷却されるまでに約100日かかったのだ。2021年3月1日、Zwicky Transient Facility(ZTF)がTDEを最初に発見した。その後、NASAのSwift ObservatoryとNeutron star Interior Composition Explorer(NICER)望遠鏡が独自の観測を行った。それぞれ異なる波長の光に感度があり、それらが連携することで、TDEのような複雑な天体物理現象をより完全に描き出すことができるのだ。

しかし、最初に加熱され、その後冷却される期間を経て、予想外のことが起こった。

ZTFがブラックホールを発見してから約300日後に、NASAのNuSTARが独自に観測を行った。NuSTARは高温のコロナを発見したが、ジェットがないことに科学者たちは驚いた。通常、コロナはブラックホールの反対側から相対論的なジェットが噴き出すことで出現する。

「このようなX線放射を伴う潮汐破壊現象で、ジェットが存在しないものを見たのは初めてで、何がジェットを引き起こすのか、何がコロナを引き起こすのかを分離できる可能性があるということで、本当に素晴らしいことです。」と主著者のYuhan Yao氏は語った。「AT2021ehbの観測は、磁場がコロナの形成に関係しているという考えと一致しており、その磁場を強くしている原因を知りたいと考えています。」

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この図は、さまざまな観測所によって検出されたTDEからの光の波長の違いを示している。上図では、紫外線と可視光線が発生当初に急増し、その後減少しているのが分かる。しかし、中段はNuSTARが観測したX線放射のスパイク(紫色)である。(Credit: Yuhan Yao et al 2022 ApJ 937 8)

AT2021ehbは、観測された他のTDEとは異なっている。それは、他のどの非噴射型TDEよりも明るいのだ。明るさのピークは30keVで、これは3億度にもなる。その明るさのおかげで、研究者は「…30 keVまでの非噴射型TDEの最初の硬X線スペクトルを含む、一連の高品質X線スペクトルを得ることができた」と論文に書いている。

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この図は、AT2021ehb が、同じく ZTF で検出された他の 30 個の非噴射型 TDE よりもどれだけ明るいかを示しています。これは、gバンドと呼ばれる光の波長帯の明るさを比較したものです。gバンドとは、私たちが緑色として見ている光の波長のことです。Y軸は絶対等級を表し、これは逆対数スケールです。そのため、AT2021ehbはグラフ上では他の星より下に見えるが、実際にはもっと明るい。(Credit: Yuhan Yao et al 2022 ApJ 937 8)

スペクトル全体にわたる光の複雑な振る舞いが、このような複雑な事象で何が起こっているのかを描き出している。この研究は、TDEをブラックホールのコロナの形成、そして最終的にはジェットの形成と結びつけている。しかし、これは1つのTDEにすぎない。天体物理学者は、3つのTDEの関係を理解するために、もっと多くのTDEを観測する必要がある。

筆頭研究者のYao氏は、より多くのTDEを発見するための努力をリードしている。NuSTARなどの望遠鏡からより多くのデータを得ることだけが、ブラックホール、TDE、コロナ、ジェットに関する我々の理解を深めることにつながるのだ。

「私たちは、できるだけ多くのTDEを見つけたいのです。」

研究の要旨

AT2021ehb/ZTF21aanxhjvの最初の430日間のX線、紫外線、光学、電波観測を発表します。AT2021ehbは、約a≈107 Mのブラックホール(ホスト銀河のスケーリング関係から推測されるMBH)を持つ銀河の核で発生した。SwiftとNICERの観測により、X線が遅れて増光することを発見した。このスペクトルは、まず緩やかな軟X線から硬X線への遷移を経て、δt≈272日の3日間に突然軟X線に戻り、その間にX線強度は10分の1にまで低下する。NICERとNuSTARの共同観測(δt=264日、ハード状態)では、30keVまでの顕著な非熱的成分と鉄Kバンドに非常に広い輝線が観測された。AT2021ehbのボロメトリック光度は、X線スペクトルが最も硬いときに最大でapjac898aieqn1 となる。このX線の劇的な進化の間、電波放射は検出されず、紫外線・光学光度は比較的一定で、光学スペクトルも特徴的ではないr。私たちは、次のような解釈を提案する。(1)軟X線から硬X線への変化は、磁気的に支配的なコロナが徐々に形成されることによって起こる。(2)硬X線光子は散乱光学深度の低い固体角(〜数個)に沿って系から脱出するが、紫外線・光学放射はより大きな柱密度の物質の再処理によって発生すると考えられる(系は非常に非球面的である)。

この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、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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