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ブラックホールは、天文学者の基準から見ても奇妙な存在だ。その質量は非常に大きく、周囲の空間を強く曲げるため、光さえも逃げることができない。

しかし、有名な黒さにもかかわらず、いくつかのブラックホールは“よく見える”のだ。この銀河の真空が食い尽くすガスや星は、ブラックホールに片道旅行する前に光り輝く円盤に吸い込まれ、その円盤は銀河全体よりも明るく輝くことがある。

さらに奇妙なことに、このブラックホールは瞬いている。光り輝く円盤の明るさは日ごとに変動するが、その理由は誰にもわからない。

私たちは、NASAの小惑星探査に便乗して、空中で最も急速に成長している5,000個以上のブラックホールを5年間観察し、この瞬きの理由を解明しようと試みた。その結果、摩擦と強い重力・磁場によって引き起こされる一種の乱流であることが判明したのだ。

巨大な星を食べる天体

我々は、銀河の中心に位置し、太陽の数百万倍から数十億倍もの質量をもつ超巨大ブラックホールを研究している。

我々が暮らす銀河系(天の川銀河)には、この超巨大ブラックホールが1つあり、その質量は太陽約400万個分にもなる。私たちの太陽を含む銀河の残りの部分を構成する2,000億個ほどの星は、ほとんどの場合、中心のブラックホールの周りを幸福そうに回っている。

しかし、すべての銀河がそう平和なわけではない。銀河同士が重力で引っ張り合うと、多くの星が銀河のブラックホールに引っ張られすぎてしまうことがあるのだ。その結果、星は引き裂かれ、食べられてしまう。

私たちは、太陽が10億個もあるような重さのブラックホールを持つ銀河で、このような現象が起こったのだと確信している。天の川銀河でも過去に起こったかも知れない。

ブラックホールは、赤色巨星と呼ばれる老齢の星が吹き出すガスの雲を吸い込むことによって、よりゆっくりとした、より穏やかな方法で餌を得ることも出来る。

餌を食べる時間

今回の研究では、宇宙で最も急速に成長している5,000個のブラックホールが、どのように餌を食べるかを詳しく調べた。

これまでの研究で、私たちは最も食欲旺盛なブラックホールを発見している。昨年は、1秒間に地球1個分のものを食べているブラックホールを発見した。2018年には、48時間ごとに太陽1個を食べるものも発見している。

しかし、ブラックホールの実際の摂食行動については、多くの疑問がある。ブラックホールに入る途中の物質は、渦を巻いて光る「降着円盤」になり、銀河全体を凌駕するほど明るくなることが分かっている。このように目に見える形で餌を食べるブラックホールは、クエーサーと呼ばれている。

これらのブラックホールのほとんどは、ずっとずっと遠くにあり、私たちが降着円盤の詳細を見るにはあまりにも遠すぎる。しかし、このような降着円盤は、星を食べるのではなく、宇宙のガスを吸っているに過ぎない。

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天の川の中心にあるブラックホール「いて座A*」の周りにある光り輝く降着円盤が2022年に撮像された。 (Credit: EHT Collaboration)

5年間にわたるブラックホールのゆらめき

今回、我々はハワイにあるNASAのATLAS望遠鏡のデータを使用した。この望遠鏡は、毎晩(天候が良ければ)全天をスキャンし、外界の暗闇から地球に接近する小惑星を監視している。

この全天観測は、偶然にも、背景の奥にある飢えたブラックホールの輝きを毎晩記録している。私たちのチームは、降着円盤の泡立ちや沸騰による光りの渦によって日々変化する明るさを、それぞれのブラックホールの5年分の動画にまとめた。

これらのブラックホールのきらめきから、降着円盤について何かわかるかも知れない。

1998年、天体物理学者のスティーブン・バルバスとジョン・ホーリーによって、磁場が円盤に乱流を引き起こすことを説明する「磁気回転不安定性」という理論が提唱された。この理論が正しいとすると、円盤は規則正しいパターンで回転しているはずだ。また、円盤が公転するときに、ランダムなパターンできらきらと輝くはずだ。大きな円盤はゆっくりとした軌道を描き、小さな円盤はよりタイトで速い軌道を描き、より速い軌道を描く。

しかし、現実の世界にある円盤は、これ以上複雑なことをせずに、これほど単純なことを証明できるのだろうか?(強烈な重力場と磁場に埋め込まれた超高密度で制御不能な環境での乱流を「単純」と呼ぶのが正しいかどうかは、おそらく別の問題である)。

5,000枚のディスクから放射される光が、時間とともにどれだけ明滅するかを統計的手法で測定した。その結果、それぞれのディスクの明滅のパターンが異なっていることが分かった。

しかし、大きさ、明るさ、色などで分類してみると、興味深いパターンが見えてきた。そして、それぞれの円盤の公転速度がわかり、その速度で時計を動かすと、すべての明滅のパターンが同じに見えるようになったのだ。

この普遍的な振る舞いは、まさに「磁気回転不安定性」の理論が予言するところである。

この不思議な渦巻きは、結局のところ「単純」なのだ。

そして、新しい可能性が見えてきた。降着円盤に残る微妙な違いは、見る方向が違うからだと考えている。

次のステップは、この微妙な違いをもっと詳しく調べて、ブラックホールの向きを見分ける手がかりになるかどうかを確かめることだ。そうすれば、ブラックホールをより正確に観測できるようになるかも知れない。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「Why do black holes twinkle? We studied 5,000 star-eating behemoths to find out」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

著者紹介
christian wolf

Dr Christian Wolf

Associate Professor, Astronomy & Astrophysics, Australian National University

私の研究テーマは、広視野天球サーベイ、天体分類、測光赤方偏移の推定、超巨大ブラックホールの成長、初期宇宙と変動、重力波イベントの光学的対応、宇宙エポックや環境影響を通じた銀河進化、天の川の塵と星形成銀河などです。

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