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太陽1兆個分よりも明るい謎のフレアは、実は2つのブラックホールが互いに回り合って発する光であることが、天文学者の新しい観測により確認され、数十年来の謎が解明された。

活動銀河の中心部には、超大質量ブラックホールが存在している。ブラックホールを取り囲むガスや塵などの天体物質が渦巻く円盤である降着円盤の物質が、ブラックホールから放射される電磁波を消費する様子を観測することで、ブラックホールについての研究は行われている。

地球から50億光年離れた、かに座にある銀河OJ287は、その中心に超巨大ブラックホール連星系が存在するのではないかと考えられてきた。つまり、ブラックホールがその中心で、お互いに回り合っているのではないかと言うのだ。

今回、研究チームによって、OJ287が、超大質量と小質量の2つのブラックホールが互いに回り合っていることを示す証拠を発見した。この研究は、フィンランド・トゥルク大学のMauri J Valtonen氏とインド・ムンバイのタタ基礎研究所のAchamveedu Gopakumar氏を中心とする各国の科学者の共同作業によって行われた。

銀河系OJ287の中心にある2つのブラックホールは、望遠鏡で観察すると、非常に接近しているため、1つの点のように見える。しかし、研究者たちは、銀河の中心から1兆個の太陽よりも明るい2つの明確な信号が出ていることに気づき、今回の発見に至った。

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OJ287の連星ブラックホールシステムとしてのイメージ図。 (Credit: UNIVERSITY OF TURKU)

OJ287の歴史

1888年に発見されて以来、天文学者はOJ287を観測してきた。この銀河は、約12年周期と約55年周期の2つの周期で発光パターンが変化しており、ブラックホールが別のブラックホールを周回する運動と、その軌道の向きがゆっくりと変化する運動の2つが起きていることを示唆していた。

このフレアは、一方のブラックホールが他方の降着円盤(超巨大ブラックホールの周囲で渦巻く広大な物質の輪)に飛び込むときに発生し、円盤の塵やガスを加熱して電磁スペクトルの劇的なエネルギーフラッシュを生み出すことが長年の観測によって明らかになった。このフレアは、1兆個の星を凌駕する明るさで、2週間ほど続く。しかし今回、この連星系から、さらに劇的で寿命の短い2つのフレアが観測され、2つのブラックホールの存在を直接確認すること成功した。

フレアが小さいほうのブラックホールの検出に役立った理由

2021年から2022年にかけての観測で、ポーランドのクラクフにあるヤギェロン大学の天文学者Staszek Zola氏が率いる研究者は、銀河系全体の100倍もの光を発するフレアを目撃した。この閃光はわずか1日しか続かなかった。NASAのフェルミ望遠鏡も、同様に短時間の2つ目のガンマ線フレアを目撃している。これらのフレアは持続時間が短いため、何十年もの間、見逃されがちだった。

「OJ 287は、1888年から写真に記録され、1970年から集中的に追跡されてきました。私たちは単に運が悪かっただけだと判明しました。OJ287が一夜限りの大活躍をしたその晩を正確に観察した人はいなかったのです」と、チェコ工科大学とチェコ天文学研究所のMartin Jelinek氏は述べている。

では、何が起こっているのだろうか?研究者たちは、OJ287の小さなブラックホールは、太陽の約1億5千万倍の質量があると計算している。最初の巨大フレアは、この小さなブラックホールに新しいガスが注入されて飲み込まれ、その結果、物質のジェットが形成されて小さなブラックホールから飛び出したために発生した。

その後、小さなブラックホールは、太陽の180億倍の質量を持つ巨大ブラックホールの降着円盤を通過した。このとき、ジェットが降着円盤と相互作用し、フェルミ望遠鏡が検出したガンマ線フレアが発生した。

この2つのフレアは、OJ287が二重ブラックホール系であり、小さい方の天体が大きい方の天体の降着円盤を定期的に通過していることを最終的に証明するものだ、と研究者らは述べている。

今回、連星系に小さい方のブラックホールが存在することが確認されたのだ。これは、連星系における両方のブラックホールとその挙動を示す直接的な証拠となる画期的な出来事である。


論文

参考文献

研究の要旨

明るいブレイザーOJ287は、日常的に高輝度の制動放射フレアを発生させている。このフレアは、連星系において、二次的な超大質量ブラックホール(SMBH)が、より質量の大きい一次的なSMBHの降着ディスクに衝突する結果であると説明される。降着円盤は剛体ではなく、二次の潮汐の影響により計算可能な形で曲がっている。次に、この現象を可変ディスクレベルと呼ぶことにする。まず、1888年以降のインパクトフレアを説明する、一般相対性理論にヒントを得た修正ケプラー方程式に基づく簡単な解析式で予測される時刻に、これらのフレアが発生することを示す。2022年の衝撃フレア、すなわちフレア番号26は、12年周期で2回の衝撃フレアという典型的なパターンを破る、かなり特殊なものである。これは、すでに観測されているOJ287の2015年と2019年の衝撃フレアに続く、現在のサイクルの3番目の制動光フレアである。26番のフレアの到着エポックは、我々のモデルにおける一次SMBHの降着ディスクの平均レベルに対して敏感であることが判明した。この潮汐による降着円盤のレベルの変化を利用して、熱フレアは地球から観測できない2022年7月から8月にかけて発生したはずだと推測している。その後、2004/05と2021/22のキャンペーンで得られたスペクトルデータとポラリメトリックデータを用いて、フレア前の活動に関する観測的証拠の可能性を探っている。また、2022年1月から2月にかけて観測された2つのミニフレアの理論的・観測的な意味についても指摘する。

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