[비즈한국] 宇宙の半分は独り身だが、残りの半分にはパートナーがいる。パートナーを隣に置いている星を連星と呼ぶ。星が二つでカップルをなす連星は、宇宙において非常にありふれた存在だ。しかし、このありふれた連星を見つけるのが難しい場所がある。他でもない、銀河中心の超大質量ブラックホールの周辺だ。
長い間、天文学者たちはブラックホールの圧倒的な重力が、その周辺での新しい星の誕生を妨げていると考えてきた。すでにブラックホールの餌食となって飲み込まれてしまったのか、あるいは最初からブラックホール周辺はガス雲が安定して凝縮できず、新しい星が作られにくい極端な環境だと考えられていた。
ところが最近、天文学者たちは粘り強い観測の末に、史上初めて天の川銀河中心のいて座A*（Sagittarius A*）ブラックホールの周りを回る連星の存在を確認した。これは銀河中心のブラックホールという過酷な環境であっても、星のカップルの愛が克服できるというロマンチックな感動を越え、さらに驚くべき可能性を秘めている。
まず、天の川銀河の中心、いて座A*周辺の環境がどれほど過酷かを理解するには、その周辺で見つかった世界を少し調べてみる必要がある。天の川銀河の中心には、太陽に比べて質量が400万倍も重い巨大なブラックホールが存在する。以前、天文学者たちは天の川銀河中心から数光年という狭い空間の中で、星々が極めて速いスピードで回っていることを発見した。星々が何か非常に重い天体に捕まっているように見えたが、その軌道の中心にはこれといって明るく光るものは見当たらなかった。まるで何もない暗い虚空に捕らえられているかのようだった。これほど狭い空間に、これほど重い質量が密集している可能性は一つしかない。超大質量ブラックホールだ。これを通じて天文学者のアンドレア・ゲズとラインハルト・ゲンツェルは、数学的にブラックホールの特異点を解明した物理学者ロジャー・ペンローズと共にノーベル物理学賞を受賞した。
その後、いて座A*は天文学者にとって人気のターゲットとなった。観測も頻繁に行われた。これを通じて、かなり多くの星々が星団のようにブラックホールの周辺を高速で回る「超高速星団」が次々と発見され始めた。これをS星団と呼ぶ。また、その中には「G天体」と呼ばれる非常にユニークな天体が存在する。最初のG天体は2005年に発見された。これらは星団でもなく、一つの重い巨大な単独星のように振る舞う。
しかし、単なる星と呼ぶには大きすぎる。しかも、いて座A*ブラックホールの周りで楕円軌道を描く間、そのサイズも大きく変動する。ブラックホールから離れるとサイズが小さくなり密度が高くなるが、逆にブラックホールに近づくとサイズが大きく膨らみ、密度は著しく減少する。そのため一部の天文学者は、これが単なる巨大な単独星ではなく、もう少し広がったガス雲ではないかと推定している。ブラックホールに近づくにつれて重力や潮汐力が増すため、ガス雲がより広がるという考え方だ。
星のように見えると同時に広がったガス雲に包まれているという特徴は、その起源をさらに劇的に想像させる。例えば、もともとG天体は二つの星がカップルを組む連星だった可能性がある。しかし、すぐ隣で圧倒的な重力を発揮する銀河中心ブラックホールによる摂動を絶えず受け続けた結果、連星の軌道が乱れ、二つの星が激しく衝突したのかもしれない。二つの星が衝突したことで周辺に巨大なガス雲が広がり、その姿が現在のG天体として観測されている可能性があるということだ。
これまでG天体は計6つ発見されている。興味深い仮説だが、少なくない天文学者がこの説に完全に同意したわけではなかった。ブラックホールという圧倒的な重力の支配者が存在する状況で、安定して互いの周りを回る連星が作られること自体が不可能だと考えられていたからだ。
しかし、ついにその連星の存在が初めて確認された。今回の発見は、実は非常に運が良かった。まず、天の川銀河中心、いて座A*ブラックホールの周辺を漂う星を詳細に観測するのはかなり難しい挑戦だ。星と塵の雲が高密度で充満しており視界を遮るため、可視光観測だけでは見ることが困難だからだ。そこで天文学者たちは、塵の雲を突き抜けることができる赤外線波長で観測を行った。
今回の分析には、チリのVLTで2005年から2019年の間に観測されたアーカイブデータを活用した。15年という期間は研究には十分な時間だ。ブラックホールのそばを回る星々の軌道は非常に小さく速いため、一周する周期がそれほど長くないからだ。さらに詳細な分析には、2019年以降のハワイのケック望遠鏡のデータが活用された。特に長い時間をかけて蓄積されたアーカイブデータを徹底的に掘り起こした。
天文学者たちは、単に広がったガス雲とだけ考えられていた小さな染み「D9」から、鮮明なドップラー効果の兆候を確認した。交互に波長が短くなる青方偏移と、長くなる赤方偏移を繰り返している。これは二つの星が互い違いに地球に向かって近づき、遠ざかる動きを見せていることを意味する。ここには星が一つではなく、二つあるのだ。そしてその二つの星が、互いの重力に捕らわれたまま、ブラックホールのそばで危なっかしいワルツを踊っている。
軌道を通じて二つの星の質量を特定できる。天文学者たちは、重い方の星は太陽の2.8倍の質量、軽い方の星は太陽質量の約73%程度の質量を持つと推定している。二つの星は約372日、地球時間で1年ちょっとの周期で回りながらブラックホールのそばを漂っている。
現在、この連星は「極端なバージョンの三体問題」が繰り広げられる現場と言える。太陽質量の2.8倍と0.73倍の質量を持つ二つの星、そしてその横には太陽質量の400万倍もの圧倒的な質量を持つ超大質量ブラックホール。この三つの天体が互いに重力を及ぼし合いながら軌道を複雑に変化させる。特に三体問題が発生する過程で、連星の軌道が乱れるメカニズムを「コザイ（Kozai）メカニズム」または「フォン・ツァイペル・リドフ・コザイ（von Zeipel-Lidov-Kozai）メカニズム」と呼ぶ。結局、ブラックホールの干渉に耐えかねて二つの星がいつ衝突するかをシミュレーションした結果、約100万年後に発生すると推定された。
さらに興味深いのは、この連星の年齢がわずか270万年しかないという事実だ。つまり、この連星が作られてから衝突するまでの寿命は370万年しかないということになる。そのうちの4分の3にあたる270万年がすでに経過しており、あとわずか100万年の寿命を残す状況で、運良く私たちの前に姿を現したのだ。天文学的に見れば、これはまさに一瞬の瞬きを捉えたようなものであり、非常にドラマチックな幸運と言える。もし人類がもう少し早く生まれて宇宙を観測していたか、あるいは少しでも怠慢に望遠鏡を構えていたら、この現場を見逃していたかもしれない。
今回の発見は、銀河中心ブラックホールの周辺でも星の誕生が可能であることを示している。安定した軌道を維持しなければ生き残れない連星ですら存在するのだ。もちろん他の平凡な場所よりは短い時間で軌道が乱れてしまうが、それでも少しの間なら連星も耐えられることを証明した。これは最近までミステリーだった、いて座A*ブラックホール周辺のG天体の起源に対する重要な手がかりとなる。多くの天文学者がなかなか信じられなかった、「連星が衝突してガス雲だけが広がり、残りの塊になった」という仮説を裏付けるものだ。
銀河中心のブラックホールは、同時に非常に多くの三体問題やN体問題が発生している頭の痛い現場でもある。そして、このような場所で発生するコザイメカニズムは、「どのようにして銀河中心に太陽質量の数百万倍に達する重いブラックホールが作られるのか」という問いに対する重要な手がかりを提供する。
まだ確実ではないが、銀河中心の超大質量ブラックホールにも比較的に軽かった時代があったはずだ。もしブラックホール周辺で星が多く作られるなら、その星々もいつか終焉を迎え、小さなブラックホールを残すだろう。このようにして残った小さなブラックホールの一部は、コザイメカニズムのような複雑な力学的プロセスを通じて、銀河中心ブラックホールの新たな餌食になる可能性がある。これを通じて銀河中心のブラックホールは、少しずつ成長して今のサイズに至ったと考えられる。銀河中心に連星が存在し、そこで複雑な三体メカニズムが繰り広げられていることが確認されたことで、ブラックホールがいかにして獲物を狩るのかという図式をより鮮明に描けるようになった。
一方、ブラックホールのそばで危なっかしいワルツを踊る星々は、天の川銀河の空間を猛スピードで駆け抜ける暴走族星、別名「超高速星（hypervelocity star, HVS）」の起源に対する手がかりも提供する。もし連星が互いに衝突するのではなく、片方だけがブラックホールに飲み込まれ、もう片方が生き残るという運命を辿るなら、急にパートナーを失った星は非常に速いスピードで弾き飛ばされることになる。紐に結んだ石を振り回して手を放した時と似ている。中には時速600万kmに達する猛スピードで飛んでいく星もある。
ブラックホール、特に銀河中心に住む超大質量ブラックホールは、非常に興味深い実験の舞台だ。最も極端な重力が働いているおかげで、ドラマチックな軌道変化を見せる力学的進化のプロセスを比較的短い期間で確認できる。また、極端に時空を歪めているため、アインシュタインの一般相対性理論を検証するのにも適している。他の平和な宇宙ではその影響が微小すぎて分かりにくいが、ブラックホールの周辺では相対性理論が正しく機能していることがはっきりと見て取れる。さらにブラックホールは、非常に狭い領域にすべての質量が集中している舞台でもある。スティーブン・ホーキングが悩んだように、ブラックホールはマクロ的であると同時にミクロ的でもある。ニュートンとアインシュタインの古典物理学、そしてミクロ世界の量子力学が和解を果たす舞台なのだ。
今回もブラックホールは物理学の最後の砦であり最前線として、自身の優れた価値を再び証明した。
参照
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54748-3
筆者のチ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム（Some）に乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。