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私たちの(天文学的に)身近な位置にモンスターブラックホールが発見された

ブラックホールは、既知の宇宙で最も驚異的かつ謎に満ちた天体である。この重力巨星は、大質量の星がその寿命を終えて重力崩壊を起こし、大爆発(超新星爆発)を起こして外層を脱落させたときに形成される。その際、星の残骸は非常に高密度になり、その周辺では時空の曲率が無限大となり、重力も強烈で、光さえもその表面から逃れることができない。そのため、可視光で天体を研究する従来の光学望遠鏡では観測できない。

そのため、可視光以外の波長で観測したり、周囲の天体に与える影響を観測したりして、ブラックホールを探すのが一般的だ。今回、アラバマ大学ハンツビル校 (UAH) を中心とする天文学者チームは、Gaia Data Release 3 (DR3) を参考に、私たちの宇宙の裏庭に存在するブラックホールを観測した。このブラックホールは、太陽の約12倍の質量を持ち、地球から約1550光年の距離にある。その質量と相対的な近さゆえに、このブラックホールは天体物理学者にとってチャンスとなる。

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レーザー距離計を使用したジャイアントマゼラン望遠鏡のイメージ図 (Credit: Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation)

ブラックホールは、極限状態における物理法則を研究する機会を提供してくれるため、天文学者にとって特に興味深い存在だ。また、大質量銀河の中心にある超大質量ブラックホール(SMBH)のように、銀河の形成と進化に重要な役割を果たしている場合もある。しかし、非干渉性ブラックホールが銀河の進化に果たす役割については、まだ未解決の問題が残されている。ブラックホールと恒星からなる連星系は、ブラックホールが恒星から物質を引き出さないという特徴がある。Chakrabari博士は、UAHのプレスリリースで次のように述べている。

「このような非干渉性ブラックホールが、天の川銀河の力学にどのような影響を与えるかはまだわかっていません。もし、これらのブラックホールが多数存在するならば、我々の銀河系の形成やその内部のダイナミクスに影響を与える可能性が十分にあります。私たちは、大きな伴星質量を持つと報告されている天体で、その明るさが1つの可視光星に起因すると考えられるものを探しました。したがって、伴星が暗いと考える十分な理由があるのです。」

ブラックホールを見つけるために、Chakrabari博士と彼女のチームは、欧州宇宙機関(ESA)のガイア観測所が観測した約20万個の連星に関する情報を含むGaia DR3のデータを分析した。さらに、リック天文台の自動惑星探査機、巨大マゼラン望遠鏡(GMT)、ハワイのW.M.ケック天文台など、他の望遠鏡による分光観測を参考に、興味のある天体を追跡調査した。これらの測定結果から、主系列星が強力な重力にさらされていることが判明した。Chakrabari博士はこう説明した。

「この分光観測では、ドップラーシフトによる視線速度が得られるので、ブラックホールが太陽のような恒星を引っ張っていることがわかります。この星の視線速度を解析することで、ブラックホールの質量、自転周期、軌道の離心率などを知ることができるのです。これらの分光観測は、この連星系が非常に重い天体の周りを回る可視光星から構成されていることを示したガイアの解を独立に確認しました。」

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ハワイ・マウナケア山頂にあるケック天文台の前でポーズをとるGCOIのメンバー (Credit: W.M. Keck Observatory)

ブラックホールはより狭い軌道を回っており、恒星の仲間から物質を引き寄せるため、一般に可視光で観測しやすくなっている。この降着円盤は、相対論的速度(光速に近い速度)まで加速され、高エネルギーになりX線放射をする。非干渉型ブラックホールは軌道が広く、このような円盤を形成しないため、可視星の運動解析からその存在を推測する必要がある。とChakrabari博士は言う。

「連星系にあるブラックホールの多くは、X線連星系です。つまり、ブラックホールとの何らかの相互作用によってX線で明るくなり、多くの場合、ブラックホールがもう一方の星を食い荒らすことによって明るくなるのです。相手の星から出たものが、この深い重力ポテンシャルの井戸に落ちてくるときに、X線が見えるのです。今回は怪物ブラックホールですが、185日という長周期軌道を回っています(約半年)。このブラックホールは、見える星からかなり離れていて、星に向かって前進しているわけではありません。」

Chakrabari博士と彼女の同僚が採用した技術は、さらに多くの非干渉系を発見することにつながる可能性がある。現在の推定では、私たちの銀河系には、大質量のブラックホールを持つ恒星が100万個あると考えられている。これは銀河系の恒星数(約1000億個)のごく一部に相当するが、ガイアの精密測定により、その数は絞られてきた。ガイアはこれまでに、恒星や銀河など10億個以上の天体の位置と固有運動に関するデータを取得している。

この連星系をさらに詳しく調べることで、天文学者はこの連星系の集団や、ブラックホールの形成経路についてより深く知ることができるようになるのだ。Chakrabari博士は次のようにまとめている。

「現在、理論家によっていくつかの異なるルートが提案されていますが、明るい星のまわりの非干渉性ブラックホールは非常に新しいタイプの母集団です。そのため、その人口構成や形成方法、これらの経路が、よりよく知られている相互作用・合体するブラックホール集団とどう違うのか、あるいは似ているのかを理解するには、しばらく時間がかかると思われます。」

研究の要旨

太陽系近傍(d = 474 pc)の主系列星と非干渉性大質量ブラックホール候補からなる連星系の発見について述べる。この連星系は 連星系は、質量比が高く、主系列星に近い位置にあることから、Gaia DR3連星カタログから選ばれました。この恒星の分光エネルギー分布は単一の恒星モデルでよく記述され、観測された光度計を適合させるために他の光源からの寄与を必要としないことを示している。 マゼラン/MIKEの高S/Nスペクトルから恒星パラメータを導出し、この恒星は この星は、Teff = 5972 K, log g = 4.54, M = 0.91 Mの主系列星に分類される。この星は主系列星に分類され、Teff = 5972 K、log g = 4 54、M = 0.91 M だ。私たちは、この星系の動径速度を この3ヶ月間、自動惑星探査機、マゼラン、ケックでこの星系の動径速度を測定し、分光学的な軌道を決定した。この連星系の分光学的な軌道を決定するために使用した。我々は、この速度データがGaia また、暗い大質量の伴星があることを示す独立した証拠も得られた。天体観測と分光観測を合わせた の質量は11.9%である。 +2.0 -1.6M. その結果 この連星系は、大質量のブラックホールを離心(e = 0.45 ± 0.02)、長周期(185.4 ± 0.1 d)の軌道上に有していると結論づけた。(185.4 ± 0.1 d)の軌道を描いている。このブラックホールを周回する主系列星は、金属に乏しい中程度の星で (Fe/H] = -0.30) で、薄い円盤状の星と同じような銀河軌道を描いている。私たちの結論は El-Badryら(2022c)が最近発見したもので、ここで行うよりもわずかに低い伴質量を発見したということだ。

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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