[비즈한국] 我々の銀河系の中心には、非常に巨大なブラックホールが隠れている。今や誰もが知る常識とされている。超大質量ブラックホールの正確な起源、あのような巨大なブラックホールの塊がなぜ銀河の中心に存在するようになったのかについては謎が残っているが、少なくともその正体がブラックホールであることに大きな異論はないように思える。ところが、もしかするとその正体は全く別の存在かもしれないという主張が提起された。銀河の中心にブラックホールではない何かが存在するとすれば、一体それは何なのだろうか？
銀河系中心のブラックホールの存在を初めて突き止めたのは、天文学者のアンドレア・ゲッズ（Andrea Ghez）とラインハルト・ゲンツェル（Reinhard Genzel）だ。彼らは1990年代初頭からケック望遠鏡で銀河系の中心を狙った。そして、わずか数光年しかない非常に狭い領域の中で、銀河中心の星々が非常に速い速度で渦巻いていることを発見した。代表的にS2と呼ばれる星の公転軌道を数十年にわたり追跡したが、その星は非常に速い速度で大きく歪んだ楕円軌道を描いていた。確かにその中心に何らかの強い重力で星を捉えている何かがあるように見えた。ところが、本来何かがあるはずの場所からは、何の光も漏れ出ていなかった。外側に光を放たないが非常に強い重力を秘めた存在、まさに伝説の中のブラックホールだと考えた。
銀河系中心部の星々が描く軌道から推論した銀河系中心のいて座A*ブラックホールの質量は、太陽の約400万倍レベルだ。星だけでなく、素早く渦巻きながら解体されているいわゆるG型ガス雲も観測されているが、これもまた銀河系中心に非常に重く強力な存在が隠れている証拠だ。ゲッズとゲンツェルは、銀河系中心に隠れていた恐ろしい怪物の存在を知らせる最も直接的な証拠を示した功労により、2020年のノーベル物理学賞の受賞者となった。
彼らがノーベル賞を受賞できた背景には、直前に行われたイベント・ホライゾン・テレスコープ（EHT）の観測成功がある。地球全域に配置された電波望遠鏡を総動員して、M87楕円銀河と銀河系中心のブラックホールの光の影を相次いで捉えた。アインシュタインの相対性理論から推論された姿そのものだった。これは銀河中心に巨大なブラックホールが隠れているという事実を、実質的に定説として固めた最も確実な証拠であった。
ところが、こと銀河系の中心に関しては依然として議論が多い。銀河系中心のブラックホールがとりわけ静かだからだ。他の銀河では、中心のブラックホールが暴れるようにX線やガンマ線を放ち、存在感を誇示する。このように活動性が高いブラックホールについては大きな異論はない。しかし、我々の銀河系のブラックホールは全く活動性を見せない。また、ブラックホールのそばをかすめるガス雲が完全に破壊されて激しい光の爆発が観測されると期待したが、何事もなく静かに通り過ぎたこともあった。さらに、銀河系中心のブラックホールが暴れたことがあったのかさえ定かではない。ここ数年の間にいくつか大小のX線が放出されるフレアのような瞬間が捉えられたことはあるが、他のさらに巨大なブラックホールと比べるとあまりに静かで控えめに見える。
ところが最近、銀河系の星々の距離と速度を非常に精密に網羅したガイア（Gaia）の観測データで、予想外の現象が捉えられた。重力は距離が遠ざかると弱くなる力だ。しかし、通常の銀河は中心から大きく外れても星の速度が大幅に減少せず、平坦に維持される姿を見せる。そして、このように重力が弱い銀河の外縁部まで星の速度が大きく低下せず維持されるということは、銀河の外縁まで目に見えない質量が広く広がっていることを示すものであり、暗黒物質（ダークマター）の最も重要な証拠と見なされていた。銀河系にもこうした姿がよく知られていた。
ところが、ガイアによるさらに精密な観測によりその常識が揺らいだ。2023年、天文学者たちは銀河系外縁の星々が考えよりも遅く動いているという事実を発見した。銀河中心からの距離が遠くなるにつれて星の公転速度がどう変化するかを示す「回転曲線」を描いてみると、外側に行くにつれて平坦に続かず、少し下に垂れ下がる姿を見せる。銀河系の実質的な外側の境界と見なせる5万2000光年の距離からこの現象が始まるのだが、銀河外縁の星々は本来予想していたよりも30km/sも遅く動いている。この当惑する事実は、銀河系に暗黒物質が考えよりも少ないか、分布が全く異なるのではないかという疑念にまでつながった。
要するに、最近のガイアの観測で確認された銀河外縁の星々の速度低下問題は、銀河系が実は考えていたほど重くもなければ、重力も強くないことを意味する。であれば、我々は何を誤解したせいで、銀河系をより強く重厚な存在だと考えていたのだろうか？そしてまさにここで今回の研究は、銀河系中心に当然あるものだと思われていたブラックホールの存在を疑う。
今回の研究は、その正体が単に一点に質量が凝縮した重厚なブラックホールではなく、いわゆるフェルミオンと呼ばれる非常に軽い亜原子粒子が高い密度で密集した塊に過ぎないと主張する。フェルミオンは非常に軽い粒子だ。そして他の亜原子粒子と同様にパウリの排他律に従う。同じ量子状態に二つ以上の粒子が共存できず、互いに押し返す力が発生する。結局、フェルミオンの塊は、よく言う特異点までは崩壊しない。
ここで天文学者たちは、現在最も有力な暗黒物質を構成する粒子の候補として挙げられる「ダークフェルミオン」を仮定した。これらは暗黒物質のように重力で相互作用する。したがって、単に宇宙空間に散らばって分布するのではなく、最も重力が強い銀河の中心に高い密度で密集している可能性がある。そのため、その周囲を回る星は一般的なブラックホールのそばにあるときと非常に類似した動きを見せる。しかし、このフェルミオンの塊は実際のイベント・ホライゾン（事象の地平線）を持つブラックホールではないため、星やガス雲自体が引き裂かれて解体されるような破壊的な現象まで起きない可能性がある。これは我々がこれまで観測してきた、あまりに静かだが周囲の星を確実に引き止めている銀河系中心領域の「何か」の特性とよく一致する。
研究ではここで非常に単純な統計的分析を試みた。銀河系中心にある「何か」の正体を大きくブラックホールとフェルミオンの塊の二つの場合に仮定し、実際に観測される姿をどれほど上手く再現できるかを比較した。フェルミオンのエネルギーレベルは56keVと300keVの二つで仮定したが、エネルギーが大きいフェルミオンは中心にさらに高い密度で密集する傾向を見せた。しかし、どちらの場合も銀河中心にブラックホールがある場合と大きな差は見られず、銀河系内の星々の動きをほぼ完璧に表現した。
ところが、ここで重要な疑問が残る。我々にとって銀河系中心の超大質量ブラックホールの存在を信じさせる証拠は、単に銀河中心の星々の速い動きや軌道だけではない。我々はすでに実際の写真でその存在を確認したではないか？まさにイベント・ホライゾン・テレスコープが捉えた光の輪だ。であれば、ブラックホールではないフェルミオンの塊でも、あの有名なブラックホールの肖像を説明できるだろうか？
驚くべきことに今回の研究は、フェルミオンの塊でも同じ姿を説明できると主張する。超高密度のフェルミオンの塊もブラックホールと同様に周囲の光を屈折させることができ、我々が知る有名なブラックホールの光の影の形状を模倣できるというのだ。
結論的に今回の主張を要約すると、我々は銀河系中心にある「何か」の正体がブラックホールなのか、フェルミオンの塊なのかを区別できない。ブラックホールの最も有力な観測的証拠として挙げられる周囲の星の軌道、そしてイベント・ホライゾン・テレスコープが撮影した光の影だけでは、フェルミオンの塊の可能性を排除できない。
もちろん、今回の分析には致命的な限界がある。結局のところ、今回の主張も我々が知る二つの観測的特徴を満たす仮想のフェルミオンの塊を仮定した分析であるため、観測結果を上手く説明できるのは当然のことかもしれない。しかし、そうした批判は「銀河系中心にブラックホールがある」という主張にも同様に適用できる。結局、我々はブラックホールを直接見たことはない。単にブラックホールが存在すると仮定した時に現れる現象を様々に見てきたため、当然その中心にブラックホールがあるのだろうと思い込んできたのだ。
であれば、ブラックホールかどうかを区別する方法はないのだろうか？一つだけ残っている。ブラックホール特異点の周辺でのみ発生する光子リング（フォトンスフィア）を確認することだ。ブラックホール周囲の降着円盤、そして丸い光の影だけでなく、イベント・ホライゾンの境界のすぐ手前に描かれる光子リングも併せて見ることができなければならない。ブラックホール周囲の重力が強すぎて、光子がブラックホールの周囲で曲がるだけでなく、まるでブーメランのように出発した方向に引き返しながら、光が極端に蓄積されることがある。そうしてブラックホールのイベント・ホライゾンのすぐ周囲に小さく鮮明な光子リングが形成されるはずだ。その大きさはイベント・ホライゾンのわずか1.5倍しかない。イベント・ホライゾン・テレスコープの観測で見た「赤いドーナツ」は、それよりも外側の領域を見たものだ。光子リングは事実上、我々がブラックホールの周囲で実質的に光を見ることができる最後の境界に他ならない。
一部の天文学者はすでに前回のイベント・ホライゾン・テレスコープの観測でこの光子リングまでも見たと主張しているが、まだ異論が多い。今のところ、銀河系中心にある存在が本当にブラックホールなのか、あるいは何か別のものなのかを結論付ける手がかりはこの光子リングだけだ。今後、さらに多くの電波望遠鏡が動員され、より強力なイベント・ホライゾン・テレスコープが整えば、結論を出せるかもしれない。
意外にも「銀河の中心には必ず巨大なブラックホールが隠れている」という命題は、常に正しいわけではない。中心に明確なブラックホールの兆候が見えない銀河もかなり多い。多く見積もれば30%近くの銀河が、中心にブラックホールなしにただ自分自身の強い重力だけで星を繋ぎ止めているように見える。そして事実、ブラックホールの質量は銀河全体の質量に比べれば1000分の1にも満たない非常に小さなレベルだ。ブラックホール一つに比べれば銀河はずっと重い。だから、もし銀河系にブラックホールがなかったとしても全く不思議なことではない。
まだ結論は分からないが、銀河系中心に巨大なブラックホールがないと考えてみると、なぜか天の川が少しだけ平坦に感じられるような気がする。そもそもブラックホールは目に見えないのだから、ブラックホールがあろうとなかろうと我々が見る天の川の風景は変わらなかったはずなのだが。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/546/1/staf1854/8431112?login=false
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃「銀河鉄道999」を見て、宇宙の美しさを広めるという夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として、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。『日ごとに宇宙の一片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないが分かる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『本当の宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイドブック』、『私はどのようにして冥王星を殺したか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。