[비즈한국] ブラックホールといえば、あらゆるものを吸い込み破壊する「死の領域」と見なされるのが一般的だ。しかし、そのようなブラックホールのすぐそばで、新しい惑星が誕生していると言ったら信じられるだろうか。ブラックホールこそが、新しい惑星を育む驚くべき誕生の現場かもしれないのだ。それどころか、一つの超大質量ブラックホールの周囲には、数千、数百万個どころか、数千万個レベルの惑星が溢れ出している可能性がある。
通常、惑星は星の周囲で生まれるものだ。我々の太陽系も、46億年前に生まれたばかりの太陽を取り囲んでいたガスと塵の円盤から始まった。円盤の中の小さな塵の粒が互いにぶつかり合って結合し、少しずつ大きな砂利や岩石へと成長した。こうして作られた小さな微惑星が互いに衝突し合体することで、地球や木星のような惑星が誕生したのである。
ところが、超大質量ブラックホールの周囲でも、これと似た円盤が形成される。銀河中心のブラックホールが周囲のガスと塵を吸い込む際、物質はそのままブラックホールに落下するわけではない。ブラックホールの周囲を猛スピードで回転しながら、平らで巨大な「降着円盤」を形成する。特にブラックホールが物質を貪り食う銀河中心部を「活動銀河核」と呼ぶが、こうしたブラックホール周辺の円盤の内側は非常に高温で明るい。ガスは強力なX線や紫外線を放ち、塵は高熱に耐えられずそのほとんどが蒸発してしまう。当然、このような環境では惑星を作ることはできない。
しかし、中心のブラックホールから十分に離れた円盤の外側へ行くと、状況は一変する。超大質量ブラックホールから約3〜30光年ほど離れた場所には、温度が大きく下がる領域が存在する。ここにはガスと塵が、暗くて厚いドーナツのようにブラックホールを取り囲んでいる。そのため「ダスト・トーラス（塵のトーラス）」と呼ばれる。中心のブラックホールや降着円盤の内側から漏れ出る強力な放射エネルギーも、この厚いトーラスに遮られる。その先では温度が十分に下がり、ケイ酸塩、金属、氷が生き残ることができる。そして、まさにここが惑星誕生の地となり得るのだ。
太陽の周囲にある原始惑星系円盤は、通常数百AU（天文単位）の規模にとどまる。しかし、活動銀河核のダスト・トーラスは数光年から数十光年もの規模で広がっている。単純に大きさを比較しても、普通の惑星系円盤より数千倍も巨大だ。当然、その中に含まれる材料の量も圧倒的に多い。最近、天文学者たちは、まさにこの場所から圧倒的に多くの惑星が噴出する可能性があることを確認した。
太陽質量の1000万倍から10億倍に及ぶ巨大な超大質量ブラックホールを想定し、その周囲で磁場が円盤を支えるモデルを作成した。実際、惑星を作る際、磁場も非常に重要な要素となる。円盤内のガスと塵が重すぎると、惑星を一つずつ個別に作るよりも、円盤全体が塊として崩壊してしまう可能性がある。そうなると、かえって惑星を作るのは難しくなる。しかし、強い磁場が維持され、円盤を膨らませて支えていれば、円盤全体が一気に崩壊するのを防ぐことができる。そうして円盤内の塵の粒子が生き残り、それぞれ独立した惑星の断片として成長できるのだ。
今回のシミュレーションで明らかになった、ブラックホール周辺環境で起きるプロセスは非常に興味深い。最初はわずか1マイクロメートル程度の小さな塵の粒子が漂っている。人間の髪の毛の太さの数十分の一から数百分の一というスケールだ。この小さな粒子が互いに衝突しながら、ミリメートル、センチメートル単位の大きさに成長する。銀河中心ブラックホールの質量、そしてブラックホールからの距離によって、粒子が大きくなるまでの時間は数千年から数億年まで大きく異なる。
ところが、塵がさらに大きくなると新たな問題が生じる。円盤内のガスは圧力の影響で徐々に速度が遅くなる。塵の粒子はガスと相互作用しながら移動し続けるが、この過程で塵が少し多く集まった場所が、より強い力で周囲の塵をさらに引き寄せ始める。道路上で自動車が1～2台減速すると後続の車両が渋滞するように、塵の粒子も円盤の特定の領域に集中し始める。こうして積み重なった塵は細長く密集し、一つのフィラメントを形成する。
このフィラメント一つに含まれる純粋な塵の量は驚くほど重い。木星質量の数万倍から数百万倍に達する可能性がある。さらには太陽質量に匹敵することさえある。それほど莫大な量の塵の粒子が、円盤の真っ只中で細長い帯を形成して集まるのだ。しかし、このフィラメントがすぐに一つの惑星として固まるわけではない。
密度が十分に高まると、フィラメントも自身の重力を支えきれずに崩壊する。すると、さらに小さな無数の塊へと分化する。太陽系で小惑星や微惑星が作られる過程と似ているが、規模は遥かに大きい。今回のシミュレーションによると、このプロセスを経て作られた惑星の質量は概ね木星級である。そして円盤全域で生まれた全ての惑星を数えると、何と数千万個にも達し得る。銀河中心の荒ぶるブラックホールの周囲で、木星クラスの巨大な惑星が、韓国の人口と同じくらい誕生しているということだ。
こうして誕生した初期の惑星は、周囲に残っていた小さな塵や砂利をさらに掃き集める。この過程を「小石降着（Pebble accretion）」と呼ぶ。天体が成長するにつれて重力も強まり、より多くの物質を捕らえられるようになる。このように成長すれば、約1000年から1000万年の間に惑星の体積は2倍まで膨らむことができる。一般的な原始惑星系円盤では平均数百万年ほどかかる作業だが、活動銀河核の周囲の円盤では材料が豊富なため、条件次第ではわずか1000年で急成長を遂げることもある。
まさにここで、ブラックホール周辺と普通の星の周囲との重要な違いが生じる。普通の星の周囲では、惑星は無限に成長できない。成長する惑星が周囲の円盤を掃き清めていき、円盤に空洞ができてしまうからだ。周囲の小石がこれ以上接近できなくなり、成長が制限される。そのため、普通の星の周囲の惑星には、ある程度の重さになるとそれ以上成長できなくなる限界がある。これを「小石孤立質量（Pebble Isolation Mass）」という。
ところが、ブラックホール周辺は材料が豊富すぎて困るほどだ。材料が周囲に溢れているため、惑星は成長を止めることなく重くなり続ける。さらには水素核融合が可能となる開始質量さえ超えてしまう。惑星と星の境界が崩れるわけだ。結局、最初はわずかな塵や小石の集まりとして始まったのに、成長を止められなかったために本物の「星」になるまで成長し続ける。ブラックホール周辺では、惑星が星へと成長することが本当に可能なのだ。
これらの天体の化学組成を見ると、さらに奇妙なことがわかる。天文学で言う「塵」は、実は単純な土ぼこりとは違う。ケイ素、酸素、鉄、マグネシウムといった、水素やヘリウムよりも重い元素で構成された固体粒子を指す。ブラックホール周辺で生まれたばかりの天体は、事実上、こうした重元素だけで練り上げられた塊と言える。重元素の比率が事実上100%なのだ！
ブラックホールから3光年以内の近い一部の領域では、質量は木星レベルでもガス惑星ではなく、丸ごと岩石と金属だけで構成された非常に重い固体の塊も作られ得る。少し離れた30光年超の領域からは、最初から水素核融合が可能な質量を超える、純粋な岩石質天体も誕生し得る。驚くべきことに、これらの巨大な塊は質量こそ星に匹敵するが、水素でできたプラズマの塊ではない！ほぼ大部分がケイ酸塩と金属で構成された巨大な金属の塊なのだ。もしかすると、映画の中のデス・スターに近いものかもしれない。
果たしてその姿はどうなっているのだろうか。中心部は極度に圧縮され、中性子星や白色矮星のように縮退状態にあるかもしれない。表面はアルミニウム-26のような放射性同位元素が熱を放出し、岩石全体を熱く溶かしているかもしれない。そうなれば、表面は惑星全体を覆い尽くすマグマの海となり、一部蒸発した岩石から漏れ出した気体が惑星を薄く覆う大気を形成しているだろう。天文学者たちは、ブラックホール周辺を徘徊しているかもしれないこの奇妙な天体を「縮退した巨大溶岩の滴」と呼んでいる。
では、本当にこのような奇妙な天体が宇宙に存在することを観測で確認できるのだろうか？まだ適切な方法はない。普通の星を回る惑星と違い、圧倒的に強力なブラックホールを徘徊する惑星を見つけ出すのは容易ではない。活動銀河核自体がそもそも銀河系を遥かに越えた遠方にあり、惑星に比べて圧倒的に明るく強力であるため、その周囲に隠れた小さな惑星の断片を直接観測するのは事実上不可能だ。惑星がブラックホール周辺の小さなX線源の前を横切る時、X線の明るさが減少する一種の「トランジット」を狙うことはできる。これまでブラックホール周辺での惑星候補を指摘する研究はいくつかあったが、まだ公式に最終確認された事例はない。
しかし物理的条件を見れば、ブラックホールこそが宇宙で最も情熱的に、最も多くの惑星を絶えず作り出している場所かもしれない。映画『インターステラー』で主人公が訪問した系外惑星も、ブラックホールの側でブラックホール降着円盤の光を受け、温度を維持する奇妙な環境だった。
我々はこれまで「惑星」という言葉に対し、あまりに凝り固まった固定観念に縛られていたのかもしれない。太陽を回る地球のように、中心に普通の星を据えて軌道を描く惑星は、むしろ宇宙全体から見れば非常に稀なケースかもしれない。宇宙には中心に星を持たず、独り宇宙空間を漂う「浮遊惑星」が圧倒的に多い。さらに銀河中心の超大質量ブラックホール周囲では、休むことなく新たな、より奇妙な金属塊惑星が次々と生まれているかもしれない。単純に数が多いか少ないかを基準にするなら、我々のように星のそばを回る惑星こそが、より珍しく希少な、奇妙な世界なのかもしれないのだ。
参照
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae6f0b
筆者 チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。子供時代に『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、世宗大学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。『天文学者の役に立たなさについて』、『我々は皆、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か』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などを翻訳した。