広大で神秘的な宇宙の中で、ブラックホールは間違いなく人類の想像力を最もかき立てる天体の一つです。
しかし、新しいブラックホールを発見することは簡単ではありません —— どこから始めればよいのでしょうか？最近の研究では、新しいタイプのブラックホールが明らかになり、私たちが知っている中で地球に最も近いブラックホールも含まれています。
天文学者として、私は長年ブラックホールを研究してきました。私の経験から、新しいブラックホールを見つけることは人々が想像するほど簡単ではないことがわかります。まず考慮すべきは、ブラックホールは黒く、その引力は非常に強力で、光 —— 宇宙で最も速い物質 —— さえもその事象の地平線（ブラックホールの周囲の物質が行き来できない境界）から逃れることができないということです。これは、天文学者がブラックホールを検出するためには、ブラックホールとその周囲の他の天体との相互作用を通じてのみ可能であることを意味します。例えば、私たちは銀河系の中心に超大質量ブラックホール —— 人馬 A*（Sagittarius A*、略称 Sgr A*）が存在し、その質量は太陽の 400 万倍以上であることを知っています。最初に、天文学者はある恒星が見えない物体の周りを高速で回っているのを観察し、ブラックホールの存在を推測しました。この驚くべき結果は、その天文学者に 2020 年のノーベル物理学賞をもたらしました。2 年後の 2022 年 5 月、イベントホライズン望遠鏡（Event Horizon Telescope）のメンバーは、世界中の電波望遠鏡を接続し、人馬 A * の写真を撮影したことを発表しました。この写真は、ブラックホールが周囲のガスを吸収して形成された事象の地平線の外側にある壮大な熱プラズマ環を示しています。
この休眠ブラックホールは、近くの伴星から物質を引き寄せていません。明るい吸積円盤がないため、天文学者はこのような暗い天体を検出するための他の方法を探さなければなりません。
ブラックホール —— 最悪のホスト
私たちの銀河系には超大質量ブラックホールが一つしかありませんが、それは多くの小さなブラックホールのホストでもあります。これらのブラックホールは、大質量の恒星（その質量は太陽の 18 倍以上）の崩壊によって超新星爆発の中で形成されました。ブラックホールの伴星の運動軌道のおかげで、私たちはいくつかの二重星系に存在するブラックホールを知っています。最も有名なのは天鵝座 X-1（Cyg X-1）ブラックホールで、私たちから約 7000 光年離れていますが、空に最も明るい X 線源の一つです。天鵝座 X-1 は、広く受け入れられている最初のブラックホールの源です。実際、天体物理学者のキップ・ソーン（Kip Thorne）とスティーブン・ホーキング（Stephen Hawking）は 1970 年代に天鵝座 X-1 がブラックホールであるかどうかを賭けた有名な賭けをしました。ソーンは天鵝座 X-1 がブラックホールであると考え、ホーキングはそうではないと考えました。1990 年代初頭、証拠が明確になると、ホーキングはこれがブラックホールであることを喜んで認めました。
現在、天文学者は天鵝座 X-1 が太陽質量の約 21 倍のブラックホールであると確信しています。そこには青色超巨星があり、天鵝座 X-1 の周りを回っています。その軌道の距離は天鵝座 X-1 からわずか 1/5 天文単位（天文学者が地球と太陽の平均距離を天文単位（AU）と呼ぶ）です。この青色超巨星の質量は太陽の 20 倍から 40 倍であり、将来的にはブラックホールに変わる運命にあります。その恒星風は常に粒子を天鵝座 X-1 に吹き付けており、このプロセスを吸積と呼びます。私たちが見る明るい X 線放射は、まさにこの吸積によって引き起こされています。研究者たちはこの方法で他のいくつかのブラックホール（さらには中性子星）も発見しました。これらの近くの伴星から物質を吸収する密な天体は、伴星と共に X 線双星を形成しています。
2 年間の努力の末、イベントホライズン望遠鏡チームは 2019 年に M87 銀河の中心にあるブラックホールを初めて成功裏に撮影し、驚くべき画像を得ました。このブラックホールの質量は太陽の 65 億倍で、回転する発光物質の円盤を吸収しており、画像の中でブラックホールを包み込んでいる明るい領域です。
X 線双星は特別な非典型的なシステムです。ブラックホールと伴星は非常に近くなければ、伴星が放出する物質を感知することができません。それでは、2 つの星体の間の距離がもっと遠い二重星系はどうでしょうか？伴星がないために物質を吸収できないブラックホールはどうでしょう？そのようなブラックホールを見つける方法はあるのでしょうか？
歴史的に見て、答えは否定的でした。私は孤立したブラックホールは黒いと述べました。しかし、数ヶ月前、欧州宇宙機関（ESA）のガイアミッションと天文学者のカリーム・エル・バドリ（Kareem El-Badry）が方法を見つけました。
ブラックホールは宇宙で最も神秘的な物体の一つですが、研究者たちは吸積ブラックホールの主要な構成要素を理解しています。画像出典：欧州南方天文台（European Southern Observatory）。
ガイア天文衛星：精密データの源泉
カリームは現在カリフォルニア工科大学の天文学助教授です。彼はカリフォルニア大学バークレー校で博士号を取得している間にブラックホールを探し始めました。彼は「博士課程の間、非吸積ブラックホールを探すのに多くの時間を費やしましたが、見つかりませんでした」と振り返ります。私がカリームに初めて会ったとき、私たちはハーバード大学で天文学の博士号を取得しており、彼はすでに天文学の分野で名声を得ており、「ブラックホールの解明者」と呼ばれていましたが、彼はそのような称号には無関心でした。カリームは他の天文学者が発表した論文で主張されたブラックホールの存在を確認するために多くの時間を費やしました。しかし、彼がそれらの論文のデータを調べると、論文の著者たちはブラックホールを見つけていなかったことがわかりました。つまり、カリームはこれらの可能性のあるブラックホールが検証に耐えられないことを発見したのです。彼は「その論文に記載されたブラックホールは存在せず、ブラックホールを探す方法は最適化の余地がある」と述べました。
しかし、ブラックホールを探す潜在的な方法がカリームの注意を引きました。この方法はガイア衛星に関連しています。この衛星は 2013 年に打ち上げられ、天体を測定することを目的としており、数百万の恒星の正確な位置を収集する必要があります。数ヶ月ごとに、ガイア衛星は空間内の恒星の位置を正確に測定し、収集します。時間が経つにつれて、各恒星の位置データはますます正確になります。数年ごとに、新しいガイアデータが以前の星表を更新し、話題になります。
2022 年 6 月、最新のガイア衛星データ（ガイア DR3）が発表され、カリームは準備が整いました：データが発表されてからわずか 5 分後、彼はこの膨大な新しい星表で「揺れ」を起こしている恒星を探すプログラムを実行しました。この揺れは、見えないブラックホールの伴星によって引き起こされます。恒星が別の天体と重力束縛系を形成すると、これらの 2 つ（または 3 つ以上）の物体は質量中心と呼ばれる共通の中心の周りを回転します。2 つ目の物体を観測できなくても、地球からの視点で恒星は前後に動きます。一度その軌道が特定されると、天文学者はケプラーの惑星運動の法則を使用してその伴星の質量を計算できます。天文学者はこの技術を使用して系外惑星を探索することがよくあります。しかし、ガイア衛星が打ち上げられる前は、データは十分に正確ではなく、ブラックホールを追跡するには適していませんでした。現在、ガイア衛星のデータの精度は十分であり、天文学者は疑わしい X 線双星活動の位置を調査し、揺れの現象が存在するかどうかを確認することができます。その後、天文学者はこれらの「揺れ」恒星を探して研究し、それらが X 線双星である可能性があるかどうかを調べることができます。
現在、カリームはガイア DR3 のデータを手に入れ、彼の分析を経て、データベース内の数百万の恒星の中で、2 つの恒星が特異であることがわかりました。分析が完了し、結果はこれらの 2 つの恒星が地球に最も近い 2 つのブラックホールの周りを回っていることを示しました。
このパズルの位置は正しいですか？
アーティストが描くように、吸積円盤のない孤立したブラックホールは宇宙全体で見つけることができません。なぜなら、私たちは肉眼で孤立したブラックホールを観測することができないからです。
最初の疑わしいブラックホールの伴星は太陽に非常に似ています。その大きさと質量は太陽と同等で、私たちから 1,560 光年離れています。この恒星は非常に明るく、専門の望遠鏡で簡単に観測できます。これがすべての類似点です。私たちの太陽とは異なり、この恒星は見えない巨大な伴星の周りを回っており、1 周の周期は 6 ヶ月です。2 つの星の間の距離は、火星と太陽の間の距離とほぼ同じです。追跡観測を通じて、研究者たちはこの軌道を確認し、この見えない星体の質量が太陽の 10 倍であり、可視の伴星よりもはるかに大きいことを推測しました。また、この星体は別の恒星である可能性はありません。なぜなら、これほど大きな質量を持つ恒星はもっと明るく、最初の恒星よりも見つけやすいからです。さらに、他にこのような大きな質量を持ち、暗い物体は知られていません。単純な排除法によって、私たちはこの見えない伴星がブラックホールであると結論付けることができます。カリームはこのブラックホールにガイア BH1（Gaia BH1）という名前を付けました。これが現在知られている、地球に最も近いブラックホールです。
この発見はニュースの見出しを飾り、天文学界を驚かせました。ガイア BH1 は、以前に地球に最も近いブラックホールである麒麟座 V616（V616 Monocerotis）よりも 3 倍近く、さらにそれは休眠ブラックホールであるということです。つまり、伴星から物質を吸収せず、吸積円盤を形成しないのです。このような天体は以前には発見されていませんでした。「軌道の幅が常に変わらないため、私たちはこれを通じてブラックホール自身の進化を研究できます」と、カーネギーメロン大学で星とブラックホールの進化を研究している天文学者のケイティ・ブレイビック（Katie Breivik）は説明しました。ケイティは「この休眠ブラックホールは、ブラックホールの形成を研究するための素晴らしい宝物です」と述べました。
未知の要素の一つは、この二重星系が最初にどのように形成されたかです。ブレイビックは「二重星間の相互作用により、軌道は時間とともに狭くなります。現在、孤立したブラックホールが生成されることは不可能だと考えています」と述べています。言い換えれば、私たちはガイア BH1 システム（ブラックホールと太陽に似た恒星を含む）がどのように形成されたのかを理解していません。これは、以前に知られている二重星系のブラックホールが、恒星であったときに進化の過程で同伴者と物質を共有する可能性があるからです。さらに、この太陽に似た伴星が他の恒星やブラックホールとの近接相互作用を持っていたという兆候は全くありません。「これは謎です」とブレイビックは言います。
研究者たちはいくつかの可能性について議論しました。例えば、このシステムが最初に三重星系であり、1 つの伴星が放出されたか、ブラックホールに飲み込まれたと仮定することです。しかし、この可能性を確認するのは非常に困難です。もう一つの可能性は、太陽に似た恒星と最終的にガイア BH1 になる恒星が同じ混雑した星団で誕生し、同じ軌道に押し込まれたということです。数百万年が経過した今、そのシナリオが実際に起こったかどうかを証明するのは難しいです。
この発見は他の問題も引き起こしました：ガイア BH1 は本当に休眠ブラックホールですか？それは唯一の休眠ブラックホールですか？これが私が研究したいテーマです。
探査を行うべきか
カリームの科学的名声がブラックホールの発見によって得られたように、私の科学的名声はブラックホールから発せられる電波放射を探査することによって築かれました。この放射は通常、ブラックホールが恒星を引き裂き、飲み込むときに発せられます。2022 年末、ガイア BH1 のニュースが広まったとき、私はハーバード大学のオフィスにいて、カリームの隣にいましたので、急いで彼のところに行き、彼または彼の同僚がニューメキシコ州の非常に大きなアレイ（VLA）でこの電波放射源を特別に観測することを考えたかどうか尋ねました。結局、その太陽に似た恒星は太陽と似た太陽風粒子を放出します。この近さで、数時間の VLA の観測時間で、これらの粒子がブラックホールに落ち込むときの放射を探査するのに十分かもしれませんし、このブラックホールの吸積速度が非常に低いことを確認することもできるかもしれません。
カリームは同意し、より良い観測結果を得るために VLA の観測時間を手配しました。不幸なことに、ガイア BH1 の位置では電波は検出されませんでした。しかし、全く悪いニュースではありませんでした。数日後、観測結果は残念なものでした。カリームは「ガイア衛星からのデータの中で、別の可能性のあるブラックホールを見つけました。そのブラックホールが実際に存在すれば、それは地球から 2 番目に近いブラックホールになります。そして、このブラックホールの電波放射を探査する方が適しているかもしれません。しかし、そのブラックホールは南半球にあります。観測してみませんか？」と言いました。
私はどの天文学者もそのような機会を拒否しないと思います。カリームは状況を詳しく説明しました：ガイア BH2 は地球から約 3800 光年離れており、ガイア BH1 よりも遠いです。ガイア BH2 はその伴星から 5 天文単位（約太陽から木星までの距離）離れており、1 周するのに 3.5 年かかります。しかし、幸運なことに、この 2 つの星体は 2023 年 2 月に最も近くなります（近接点に到達します）。さらに重要なのは、この二重星系の恒星が赤色巨星であることです。太陽もいつか赤色巨星に変わります。太陽の中心の水素が燃え尽きると、太陽は膨張し、冷却して赤くなり、より強い星風を生成します。したがって、ガイア BH2 はガイア BH1 よりも地球から遠いですが、より強い粒子流を散乱させるため、ブラックホールの吸積放射を探査する可能性が高くなります。もし私たちが依然として放射を探査できなければ、それは新しいタイプのブラックホールを発見したことを意味します。現在の技術では直接観測できないブラックホールです。
観測時間が十分であれば、見えないブラックホールと二重星系を形成している恒星は空間内で明らかな揺れを示します。ガイア衛星は同時に 2 つの方向でこの揺れを探査し、約 20 マイクロ秒の精度で各恒星の位置を測定します。画像出典：天文学：ローン・ケリー（Astronomy: Roen Kelly）。
私たちは観測申請を急いで作成し、南アフリカの MeerKAT 電波望遠鏡の使用権を取得しました。観測計画は近接点の瞬間に設定されました。雪が降る冬の週末、私は何の準備もなく目を覚まし、観測が成功したというメールを受け取りました。今、本当の楽しみが始まったのです！
私が天文学者になる理由はたくさんありますが、新しい観測データを得るたびに、私の心を占める理由はただ一つです。それは、その瞬間、焦燥の待機を経て、ついに世界の反対側から送られてきたデータを受け取る瞬間のためです。一瞬のうちに、私は宇宙の最新情報を知っている唯一の人間になりました。この魂を満たす感覚をどう表現すればよいのでしょうか？特に新しいタイプのブラックホールを探査できるかどうかを探求する際、この感覚は特に強いです。私はこの感覚が中毒性があることをお伝えできます！
時々、私の画面には空白のピクセルが現れますが、驚くことはありません。なぜなら、探査作業がそんなに順調に進むわけがないからです。放射を探査できることは、探査できないことよりも興奮しますが、今回は私たちが全く放射を探査できなかったことに驚きました。私たちのブラックホールと恒星環境に関する理解に基づけば、電波放射を探査できるはずでした。しかし、実際には、私たちは何の電波も探査できませんでした。これは、星風粒子がガイア BH2 の事象の地平線に十分に近づいていないため、吸積現象を引き起こさず、電波を生成できなかったことを意味します。これは、何らかの物質が 2 つの星体が近づくのを妨げている可能性があります。もしかしたら、事象の地平線の近くに強力な風があり、星体を遠ざけているのかもしれません？私は、私たちが放射を探査できないすべての可能性の理由を興奮して想像し始めました。
私は、直接探査されたことがなく、推測の中にのみ存在するブラックホールの家族、つまり孤立ブラックホールまたは離群ブラックホールを考えました。この種のブラックホールは伴星を持たず、銀河系には約 1 億個のこのようなブラックホールが静かに漂っていると推定されています。私たちはそれらが遊離したガスや塵との偶発的な相互作用を通じて探査できるのでしょうか？ガイア BH2 の探査結果は、全く無理だと示しています。深宇宙は絶対的な真空ではありませんが、ガイアブラックホールの近くの空間よりもはるかに空いています。ガイア BH1 と BH2 の両方で放射を探査できなかったことから、現在の技術では、吸積現象によって生成される電磁放射を探査できず、孤立したブラックホールを探査できないことが推測されます。私たちは孤立したブラックホールの存在を確認するまでにかなりの時間がかかるでしょう。この考えは SF ストーリーから飛び出し、魅惑的で恐ろしいものであり、私が収集した電波データはその考えを現実に変えました。
この新しいブラックホールの家族は、私たちがこれまで直接探査できた中で最も黒いブラックホールかもしれません。X 線や重力波を観測できません。しかし、興奮すべきことは、これらのブラックホールの研究が始まったばかりであるということです。ガイア衛星の任務はまだ終わっていません。欧州宇宙機関（ESA）は 2030 年までに数百万の天体を測定して、より正確なデータを収集する予定です。2025 年、欧州宇宙機関が新しいデータを発表する際、私たちは星表の中で数十のこのような新しいブラックホールの家族のメンバーを発見することを期待しています。私たちはその日を迎える準備を整えています。
ブラックホールはすべてを吸い込むわけではありません！
ブラックホールに関する一般的な誤解の一つは、人々がブラックホールを宇宙の真空掃除機のように考え、近づくすべての物質を吸い込み、飲み込むと誤解していることです。しかし、実際にはそうではありません。ブラックホールは非常に小さな体積を持ち、巨大な質量を持っていますが、その引力はその質量に対応しており、太陽、地球、または他の質量を持つ天体の引力よりも大きくはありません。
例えば、太陽が突然ブラックホールに崩壊したと想像してみてください。新たに形成された「ブラックホール太陽」の質量は変わらず、半径は約 1 マイル（約 1.6 キロメートル）にしかなりません。驚くべきことに、地球や他の惑星は以前の軌道を維持し続け、すべてはそのままです。星体がブラックホールに非常に近づかない限り、引き裂かれることはありません。現在、太陽が近づきすぎた彗星を引き裂くのと同じように。しかし、ブラックホールから距離を保てば、吸い込まれる危険はありません。