ブラックホールが星を飲み込み、太陽“1兆個”分の光を放つ

masapoco
投稿日 2022年12月2日 12:11
jetted tde nature

空のどこかに閃光が現れると、天文学者は注目する。そして、過去に閃光を放ったことのある恒星天体が存在しない領域に現れた場合、天文学者たちは腰を抜かすほど注目する。天文用語では、閃光を放つ天体を突発天体(トランジェント天体とも言う。英語でTransient Source)と呼ぶ。

今年初め、天文学者は太陽の光1兆個分にもあたる光度で点滅するトランジェント天体を発見した。

今回、この閃光を発見したのは、Zwicky Transient Facility (ZTF)だ。ZTFは、北半球の夜空を対象とした全天サーベイだ。パロマー天文台が主催し、超広視野の光学カメラを使って、2日に1度、北の空をくまなく観測する系統的な研究となる。時間と共に変化する天体を研究する「時間領域天文学」と呼ばれる研究の一環だ。

ZTFが新しい天体を発見すると、他の天文学者に知らせる。ZTFは全天をくまなく調べるもので、個々の天体を詳しく調べるのに適しているわけではない。発見した天体は、より詳細な観測ができる施設にバトンタッチされる。今回は、複数の施設が参加した。

ハッブル宇宙望遠鏡の光学・赤外線観測とジャンスキー大型望遠鏡のデータにより、閃光の位置が正確に特定された。また、欧州南天天文台の超大型望遠鏡(VLT)は、85億光年の彼方にあることを突き止めた。その後、他の観測施設からの観測データも加わり、電磁波の広い範囲での閃光の様子が明らかになった。

これらの観測結果とその後の解析結果は、『Nature Astronomy』誌の新しい論文に掲載された。その論文は、”The Birth of a Relativistic Jet Following the Disruption of a Star by a Cosmological Black Hole”となる。筆頭著者は、MITのカブリ天体物理学・宇宙研究所の研究者であるDheeraj Pasham氏だ。

この閃光は、遠くの銀河の中心にある巨大な超巨大ブラックホール(SMBH)が原因だ。SMBHは、近づきすぎた星を飲み込んでいるのだ。これは潮汐破壊現象(TDE)と呼ばれ、2011年以来初めて観測されたものだ。また、光学的にも初めての現象であり、ZTFが検出した78個目の現象でもある。

AT 2022cmc は、これまでで最も遠くにあり、最も明るい潮汐破壊現象だ。ガンマ線バースト(GRB)は、宇宙で最も明るい天体で、ビッグバンに次ぐ明るさだ。そのため、この現象がGRBであると考えるのは自然なことだ。しかし、そうではなかった。このジェットのX線輝度の高さが、それを否定するのに役立ったのだ。

「この特別なイベントは、最も強力なガンマ線バーストの残光よりも100倍強力でした。それは何か特別なものでした。」と、Pasham氏はプレスリリースで述べている。

TDEは、たまたまその焼け付くような物質のジェットを直接地球に向け、まるで私たちの目の前で懐中電灯で照らされるようなものだった。大まかな計算では、その噴流は太陽1兆個分の明るさであった。

宇宙はトランジェント天体に満ちているが、潮汐破壊現象を観測することはまだ稀だ。今回のように、ジェットが地球のすぐ近くを向いている場合は助かる。しかし、近づきすぎた星がSMBHに飲み込まれると、いつもジェットが出るとは限らない。今回のような潮汐破壊現象は、それを引き起こすSMBHについて、天文学者がもっと知る機会を与えてくれるのだ。

ミネソタ大学ツインシティの天文学の助教授で、この論文の共同責任者である Michael Coughlin氏は、「科学者がこれらのジェットの1つを発見したのは、10年以上も前のことです。我々が持っているデータから、相対論的ジェットがこれらの破壊的事象のわずか1%で打ち上げられたと推定でき、AT2022cmcは極めて稀な事象であることがわかります。実際、このイベントによる発光は、これまで観測された中で最も明るいものの一つです。」と述べている。

超巨大ブラックホールというのは、当然ながら、とてつもなく巨大なものだ。最も巨大なものは、太陽の数十億倍もの質量がある。数字が大きいことで知られる天文学の世界でも、私たちの星の数十億倍というのはほとんど理解できないことだ。

しかし、そのような巨大なものでも、一口で星を食べられないことが分かっている。時間をかけて星を食べ尽くしているのだ。Pasham氏によれば、このジェットはおそらく断続的な “摂食の狂乱”の間に放出されたものであるとのことである。「おそらく、1年に太陽の半分の質量の星を飲み込んでいるのでしょう。この潮汐破壊の多くは、初期に起こります。そして、我々は、ブラックホールが星を食べ始めてから1週間以内に、この出来事をまさに初期に捕らえることができました。」と、Pasham氏は述べている。

このジェットを放出した銀河は、まだ見つかっていない。ジェットの光は非常に強力で、ホスト銀河を圧倒しているのだ。しかし天文学者は、ジェットの光が弱まれば、ハッブル宇宙望遠鏡ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡でその銀河を見つけることができるだろうと考えている。

そうすれば、重要な疑問への答えの一端を知ることができるかもしれない。すべてのSMBHは星を食べるはずなのに、なぜジェットを出すものが少ないのだろうか?観測の結果、このようなジェットを出すものは、高速で自転している可能性が高いことがわかった。この自転が、超光速のジェットを発生させる動力源になっているのだ。

自転が速いというのは一つの要因に過ぎないかもしれないし、おそらく最も観測しやすい要因かもしれない。しかし、このことは、SMBHに働く強力な力の解明に一歩近づいたと言えるだろう。

MITのカブリ天文物理学・宇宙研究所のポスドクである共同研究者のMatteo Lucchini氏は、「私たちは、銀河系に1つ超巨大ブラックホールが存在し、それが宇宙の最初の100万年間に非常に速く形成されたことを知っています。このことは、その供給プロセスがどのように行われるかはわかっていませんが、非常に速く供給されることを示しています。ですから、TDEのような光源は、実際にそのプロセスがどのように起こるかを知るための非常に良いプローブとなり得ます。」と述べている。

天体物理学者が必要としているのは、これらのジェット、TDE、SMBHをもっと見つけることだ。おそらく近い将来、その願いは叶えられるだろう。

今後、NSFヴェラ・C・ルービン天文台のような施設が稼働すれば、AT2022cmcのような過渡現象にもっと出会えるようになるはずだ。NSFヴェラ・C・ルービン天文台は2023年にファーストライトを迎え、数日おきに見える夜空全体を撮影するシノプティックサーベイを行う。4つの科学的目標の1つは、トランジェント天体を発見し、他の観測機関に追跡観測を依頼することだ。そして、たくさんの星を見つけることができるはずだ。

「この新しい検索技術により、ZTFのデータから珍しい宇宙現象をすばやく発見することができます。また、ZTFや今後予定されているNSFヴェラ・C・ルービン天文台のLSSTのような大規模サーベイは、頻繁に空をスキャンするので、珍しい、あるいはこれまで発見されていない宇宙現象を豊富に発見し、それらを詳細に研究することが期待できます」と、UMDおよびNASAゴダード宇宙飛行センターの天文学科のポスドク、Igor Andreoni氏は語っている。

「天文学は急速に変化しています。科学者たちは、AT2022cmcを、何を探すべきかのモデルとして使い、遠方のブラックホールからより多くの破壊的事象を見つけることができるのです。これは、これまで以上に、ビッグデータマイニングが、宇宙の知識を深めるための重要なツールであることを意味します。」と、Andreoni氏は述べている。

プロの天文学者が寒くて長い夜を望遠鏡のアイピースを覗き込んで過ごす時代は過ぎ去った。もし、そのような努力に頼っていたら、TDEを見ることすらできないかもしれない。自動化された天球観測は、天文学者よりも広い範囲をカバーし、より精力的に行っている。彼らは疲れもせず、病気にもならず、休みも取らない。

しかし、このような施設では、Andreoni氏が言及したように、膨大な量のデータが生成される。NSFヴェラ・C・ルービン天文台は、10年間の運用で毎年20万枚の写真を撮影する予定だ。つまり、毎年1.2ペタバイトのデータが生成されることになり、天文学者が処理できる量をはるかに超えるデータ量になる。そのデータを扱うのは、AIや機械学習だ。

Zwicky Transient Facilityは、NSFヴェラ・C・ルービン天文台のプロトタイプとして使用された。しかし、ZTFが開始以来78個のTDEを発見したのに対し、NSFヴェラ・C・ルービン天文台はその結果を凌駕することになる。どれだけのTDEが見つかるかはわからないが、この観測所では1秒間に数百のアラートが発生し、その一つ一つが何らかのトランジェント天体であることが予想される。

そのうちのいくつかはTDEとなるだろうし、さらに検出されれば、天文学者は他の施設による追跡観測を行うだろう。

Lucchini氏は、「私たちは、将来さらに多くのTDEが発生することを期待しています。そうすれば、最終的に、ブラックホールがどのようにしてこの非常に強力なジェットを発射するのか、言えるようになるかもしれません。」と語っている。

研究の要旨

ブラックホールは、恒星を潮汐で破壊した後、強力な相対論的噴流を発生させることができる。このジェットが幸運にも私たちの視線と一致した場合、全体の明るさは数桁もアップする。このような相対論的潮汐破壊現象は、宇宙論的(赤方偏移z > 1)な静止ブラックホールを明らかにする可能性があり、スーパーエディントンジェットの放射機構を理解する上で理想的な実験場となる。ここでは、光学的に発見されたz=1.193の過渡現象AT2022cmcの多波長(X線、紫外線、光学、電波)観測について紹介する。観測されたピーク輝度≈erg s-1、1000秒という短い時間スケールでの系統的変動、30日以上の継続時間など、その特異なX線特性は相対論的潮汐破砕現象に関連する特徴である。発見後5-50日にわたるX線から電波へのスペクトルエネルギー分布は、相対論的ジェットからのシンクロトロン放射(電波)、シンクロトロン自己コンプトン放射(X線)、低赤方偏移潮汐破壊現象で見られるような熱放射(紫外線・光学)で説明可能である。このモデルは、ブレイザーに似たビーム状の高相対論的ジェットを示唆しているが、極端な物質支配(つまり、ジェット中の電子と磁場のエネルギー密度の比が高いこと)が必要で、ジェットの理論的理解に疑問を投げかけている。

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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