[비즈한국] 銀河の中心には超大質量ブラックホールが存在する。ならば、銀河よりも小さな星の集団である星団にも、それより小さなブラックホールが存在すべきではないだろうか。非常に自然な考えだ。もちろん、星団は銀河をそのまま縮小した天体ではない。しかし、数十万から数百万個の星が重力で一つに束ねられているという点で、星団もまたブラックホールを探すにはかなり有力な場所だ。
特に星団が大きく重いほど、より多くの星が誕生したはずであり、それだけ多くのブラックホールが作られた可能性がある。天の川銀河で最も重い星団であるオメガ・ケンタウリならどうだろうか？
オメガ・ケンタウリは地球から約1万7900光年離れている。およそ1000万個の星が集まっており、全体の質量は太陽の約400万倍に達する。南半球の暗い夜空では、条件さえ良ければ肉眼でもかすかに見えるほど明るい。
年齢も120億年を超えている。オメガ・ケンタウリで生まれた重い星たちは、とっくに寿命を終えたという意味だ。質量の小さい赤色矮星は数百億年生き残るが、質量の大きい星はすでに燃料を急速に消費し、超新星爆発を起こしただろう。その中で十分に重い星は、最期に恒星質量ブラックホールを残すのが常だ。
したがって、オメガ・ケンタウリには数多くのブラックホールが存在するはずだ。実際の動力学モデルの中には、この星団の中心に恒星質量ブラックホールが約1万個あると推定するものもある。ただし、この数字は、それより少し重い中間質量ブラックホールと恒星質量ブラックホールを明確に区分できず、過大評価された推計値である可能性がある。
いずれにせよ、オメガ・ケンタウリがブラックホールを繋ぎ止めるのに十分な星団である事実は明らかだ。この星団は非常に重いため、重力も強い。そのため脱出速度が約62km/sである。天の川銀河の球状星団の一般的な脱出速度20〜30km/sのほぼ2倍だ。星団が今より重かった初期の頃なら、脱出速度は100km/sを超えていただろう。星が死んでブラックホールができる際に発生する爆発の非対称性により、ブラックホールが片方に弾き飛ばされる一種の「キック」が発生することもある。しかし、オメガ・ケンタウリのように脱出速度が非常に大きい星団では、ブラックホールが結局星団を脱出できずに残ることになる。
ところが奇妙なことに、これまでオメガ・ケンタウリでは恒星質量ブラックホールが一つも確認されていなかった。ブラックホールが存在しないからではなく、こうした場所ではかえって探しにくいためだ。
ブラックホールは自ら光らない。周囲のガスや伴星の物質を奪うとき、強いX線と電波を放出してその存在をあらわにする。しかし、何も食べるものがない空腹の状態であれば、ブラックホールはほぼ完全に闇の中に隠れている。オメガ・ケンタウリを対象に詳細なX線や電波観測を何度も行ったが、ブラックホールの候補は見つからなかった。非常に高齢で、新鮮なガス物質がほとんど底をついた荒涼とした場所であるため、ブラックホールがあったとしても、何かを捕食するような環境ではないからだ。
一時はブラックホールがひしめいていたが、星団内部の激しく複雑な重力相互作用を通じてすべて外に弾き出されたという主張も出た。重いブラックホールが星団の中心に沈んで互いにペアを組む際、他の星やブラックホールに近づくと、パチンコのように他の天体を弾き出すこともあるからだ。しかし、最新の星団進化モデルは、ブラックホールはそのような方法では効率よくすべてが外へ出てしまうことはないという結果を示している。したがって、オメガ・ケンタウリにも相当数の恒星質量ブラックホールが静かに闇の中に残っている可能性が高い。
最近、全く異なる方法でこの難問を解決しようとする試みがあった。ブラックホールから漏れ出る光を見るのではなく、ブラックホールの重力に引きずられている星の動きを探すことだ。天文学者たちは、星団の中心からわずか1光年しか離れていない普通の星一つに注目した。この星は質量が太陽質量の78%しかない。見た目は特に変わったところはない。明るさも安定しており、変光もしない。しかし、長期間この星を追跡すると奇妙な姿が現れた。
宇宙空間を独り浮遊する星ならば、空ではほぼ直線に近い単純な固有運動を示すはずだ。しかし、この星の経路は明らかに歪んでいた。星が見えない何かを中心に公転しているかのように。オメガ・ケンタウリの中の星々の動きを綿密に分析するために、ハッブル宇宙望遠鏡でなんと20年以上にわたり350個の星を追跡した。このプロジェクトを「oMEGACat」と呼ぶ。ここに最近、2024年と2025年にジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が観測した最新の結果を加え、合計23年にわたる星々の動きを追跡した。
オメガ・ケンタウリの中心の星々の微細な動きは、ハッブルとジェイムズ・ウェッブ検出器の1画素よりも小さい。そのため、瞬間を捉えた単純な写真一枚だけでは星の動きを知ることは難しい。非常に長い時間をかけて撮影した数百枚の写真を比較し、複数の星を基準点にしなければ、正確にターゲットの星の純粋な動きを知ることはできない。分析の結果、この星は約94年の周期で、目に見えない何かのそばを巡っているように見える。星が描く公転軌道の半径は31AU程度だ。離心率が0.72に達する、かなり歪んだ楕円軌道を描いている。
ところがふと疑問が生じる。わずか23年の観測で、どうやって公転周期が94年だと分かるのだろうか？ 観測期間中に星は公転軌道を一周すらしていないのに。実は幸運が味方した。ちょうどハッブルが観測していた2012年頃、星は楕円軌道上で最も速く動く「近ブラックホール点」を通過していた。
実際の観測期間はこの星が描く楕円軌道全体の40%に過ぎないが、幸運にもブラックホールの重力が最も強く働く区間を通過する際を捉えることができた。おかげで、この伴天体であるブラックホールの質量も正確に導き出せた。ケプラーの法則を活用して推定したこのブラックホールの質量は、太陽の4.46倍である。これほど重いのに何の光も出さないのであれば、考えられる答えはブラックホールしかない。そのため、このブラックホールは「オメガキャットBH-2」と呼ばれることになった。
初めて発見されたブラックホールなのにBH-1ではなくBH-2である理由は、実は同じオメガキャットのデータを通じて、2024年にこの星団の中心で太陽質量の約8000倍と推定される中間質量ブラックホールの候補が先に発見されていたからだ。しかし、当時は中間質量ブラックホールであり、今回はより軽い恒星質量ブラックホールという点が異なる。したがって、今回発見されたBH-2は、オメガ・ケンタウリで公式に初めて発見された「初の恒星質量ブラックホール」である。
チャンドラX線観測衛星でBH-2の周囲を広範囲にスキャンしたが、特別なX線は見られない。そばを巡る星がかなり大きな軌道を描いて離れているため、星の物質を奪うことができていない状態だからだ。
ところが、今回発見されたBH-2が予想よりあまりに軽いという問題がある。そばを巡る星の場合、金属含有量が非常に低い。このように金属含有量が低い星は、外郭が透明で綺麗だ。内部の光が漏れ出ても、遮るようなイオン粒子が特にない。そのため恒星風の威力も弱く、質量も大きく減少しない。したがって、金属含有量が少ないこうした星々が作るブラックホールは、少なくとも太陽質量の20〜40倍程度になるはずだと予想していた。ところが、実際に確認されたBH-2の質量は、それよりはるかに軽い4〜5倍程度に過ぎなかった。
これは、金属含有量が非常に少ない古い球状星団のような環境でも、非常に小さな恒星質量ブラックホールまで作られる可能性があるという新たな可能性を示している。ブラックホールの質量分布関数が、我々が考えていたよりもはるかに広く多様である可能性があるということだ。星の表面外郭に金属イオン粒子が多くなくても、効率よく星の外郭物質を吹き飛ばすメカニズムが存在する可能性もある。あるいは、本来は重いブラックホールが多数派だったが、彼らこそが複雑な重力相互作用に耐えきれず、先に星団の外へ出てしまった可能性も考慮しなければならない。
ようやく一つを発見したが、今後さらにどれだけのブラックホールがこの中で見つかるか分からない。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は2027年と2028年にも、この星を再び観測する予定だ。2年にわたる観測データが追加されれば、星の軌道がより精密になり、ブラックホールの質量をより正確に知ることができるだろう。その時、ブラックホールがより重くなるのか、今の軽い質量を維持するのかを見守ることも興味深いことだ。
明るく輝くものの中に隠れている闇を探すこと、これこそが天文学の仕事だ。そしてその闇は、いずれ暴かれる。闇は孤独に存在しない。たとえ自身は闇の中に隠れていても、周囲の明るいものたちと相互作用しながら、自身の痕跡を間接的に残しているからだ。
参考
https://omegacatalog.github.io/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae7a5c
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、宇宙の美しさを伝え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、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『天文学者の無用について』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などを翻訳した。