目に見えない巨大な塊のまわりで光が曲がる様子から、宇宙でこれまでに発見された中で最大級のブラックホールの存在が明らかになった。天文学者たちは太陽質量の約300億倍もある「超巨大ブラックホール」を発見したのだ。
このブラックホールは地球から27億光年離れたAbell1201銀河団内で最も明るい銀河に潜んでおり、背後の銀河からの光がブラックホールの重力場によって大きく歪められていることから発見された。
この巨大なブラックホールは、ブラックホールが理論的にどれだけ大きくなるかの上限に位置していると、発見した天文学者たちは述べている。しかし、この手法を使えば、夜空に潜むさらなる巨大なブラックホールたちも発見することができるだろう。超巨大ブラックホールを見つけることは、これらの巨獣がどのようにして成長していくのかを解明するための第一歩に過ぎない。研究者たちは、3月28日に『Monthly Notices of the Royal Astronomical Society』に掲載された論文でこのことを説明している。
アインシュタインの一般相対性理論は、物体の質量が時空を歪めることを説明している。重力は、未知の力によって生じるのではなく、物質とエネルギーが存在するときに時空が湾曲し、歪むことによって生じる現象だ。
この湾曲した時空は、エネルギーや物質がどのように移動するかのルールを決定する。一般相対性理論のもっとも有名な予測のひとつに、光が非常に湾曲した時空領域を通過する際、光が湾曲することが挙げられる。これは、アインシュタインリングと呼ばれる伸ばされた弧の形をした光になる。天文学者は、重力レンズ効果として知られるこの現象を利用して、通常は観測できない暗い天体を検出することが出来るのだ。
研究の著者であるJames Nightingale氏（英国ダラム大学の天体物理学者）は、「我々が知っている最大のブラックホールのほとんどは活動状態にあり、ブラックホールに近づく物質が加熱されて光やX線、その他の放射線としてエネルギーを放出しています。しかし、重力レンズ効果を利用することで、餌を取らず光を放出しない非活動状態のブラックホールも遠くの銀河で研究することができます」と述べている。
研究者らは、非活動状態のブラックホール周囲の歪んだ光の弧を発見した後、光がどの程度伸びているかを調べることで、ブラックホールのサイズを再構築した。ハッブル宇宙望遠鏡で高解像度の画像を撮影し、DiRAC COSMA8 スーパーコンピュータに測定値を入力して、ブラックホールが光をどの程度曲げる必要があるかをシミュレートした。
Abell 1201の最も明るい星団銀河（BCG）は、強い重力レンズとしてよく知られている、大きく拡散した楕円銀河である。BCGのはるか向こう側にある銀河は、BCGの外側に眉を寄せるような細長い汚れとして、BCGと並んで見える。
このスミアは2003年に発見されたが、2017年に天文学者は、銀河系中心にさらに近い、より淡い2番目のスミアも発見した。
このことは、BCGの中心に非常に大きなブラックホールが存在することを意味すると天文学者は提唱していたが、得られたデータは、中心の質量を解決したり、そこに何があるのかを明らかにするのに十分なほど詳細ではなかった。
Nightingale 教授と彼の同僚たちは、より新しい観測結果を入手できただけでなく、それを理解するためのツールも考案した。彼らは、銀河の中心にあるブラックホールの質量を変化させながら光が宇宙を移動するシミュレーションを何十万回も行い、私たちがAbell 1021 BCGで観測したレンズ効果を再現する結果を探したのだ。
結果、彼らはこの巨大なブラックホールが太陽質量の実に約327億倍もあることを発見した。これは、天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホールの約8,000倍の大きさである。これまでに見つかった最大のブラックホールは、TON 618と呼ばれ、太陽の質量が約400億倍だ。
この質量は、これまで発見されたブラックホールの中でトップ10に入る大きさだ。事象の地平線の直径は、1,290天文単位以上にもなる。ちなみに、冥王星の太陽からの距離は、わずか40天文単位であることを考えれば、とんでもないものである事が分かるだろう。
今回の手法で、さらに質量の大きなブラックホールを研究することで、これらの宇宙の巨人がどのようにしてありえないほどの大きさに成長したのか、またこれらの怪物が宇宙の進化にどのように影響を与えるのかを調べることが出来る事だろう。
Nightingale氏は、「このアプローチにより、私たちの地元の宇宙を超えた多くのブラックホールを検出し、これらの異質な天体が宇宙の時間をさかのぼってどのように進化したのかを明らかにすることができる」と語っている。
論文
- Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Abell 1201: detection of an ultramassive black hole in a strong gravitational lens
参考文献
研究の要旨
超大質量ブラックホール（SMBH）は、銀河の形成と進化の重要な触媒であり、SMBHの質量MBHとホスト銀河の速度分散σeの間に相関関係が観測されるに至った。局所宇宙以外では、MBHの測定は通常、活動状態にあるSMBHに対してのみ可能であり、サンプルサイズが制限され、選択バイアスが発生する。重力レンズは、非活性SMBHの質量を測定することを可能にする。我々はz = 0.169 銀河系規模の強いレンズ Abell 1201。銀河団に属するcD銀河で、十分な「外部シアー」を持っているため、拡大画像でz = 0.451の背景銀河が銀河中心から約1kpcの位置に投影されている。ハッブル宇宙望遠鏡のマルチバンドイメージングとレンズモデリングソフトウェアPYAUTOLENSを使って、この視線に沿った質量分布を再構築した結果だ。ベイズモデルによる比較では、MBH = 3.27 ± 2.12 × 1010 M⊙（3σ信頼限界）の点質量、つまり超巨大ブラックホールであることが支持された。しかし、このモデルは非物理的な仮定であることが分かっているため、SMBHを含まないベイズモデルもある。このモデルは、MBH≤5.3 × 1010 M⊙という上限を与えている。なぜなら、この質量以上のSMBHはAbell 1201の中心から約1 kpcのレンズ像を変形させるからだ。これは、MBHの上限を決めるために中心画像を用いたこれまでの研究に基づくものだが、中心画像を観測せずに下限を決めたのは初めてのことだ。この方法の成功は、今後10年間の調査で、さらに何千ものSMBHの質量と、MBH-σe関係の赤方偏移を測定できることを示唆している。
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