天文学者は、Very Long Baseline Array (VLBA) を使用して、これまでに検出された最初のブラック ホールが、これまで考えられていたよりも実際にははるかに大きいことを発見しました。太陽の質量の 21 倍という非常に大きいため、星の進化と星がブラック ホールを形成する方法に関する既存の理論に挑戦しています。これらの制約により、連星系の恒星ブラック ホールは約 15 太陽質量に制限されるはずです。
はくちょう座 X-1 は天の川連星系で、ブラック ホールと、それにガスやその他の物質を供給している超巨大な伴星を含んでいます。 1964 年に初めて発見された連星系は、天文学で最も熱心に研究されている天体の 1 つになりました。それでも、Cygnus X-1 に慣れ親しんでいるからといって、まだ驚きを提供できないわけではありません。
ブラックホールの質量がこれまでの見積もりよりも 50% 大きく、太陽質量の 15 倍ではなく 21 倍近くあることを発見したことに加えて、チームは伴星の質量が以前の測定値よりも大きいことも発見しました。システム全体は、地球から 6,100 光年ではなく、7,200 光年という、以前に計算されたよりも 20% 離れています。
「シグナス X-1 には、太陽の 21 倍の質量を持つブラック ホールがあることがわかっています。また、はくちょう座 X-1 の超巨星の伴星も、太陽の質量の約 40 倍の質量で、私たちが考えていたよりも質量が大きいこともわかりました」と、国際電波天文学研究センターのジェームズ ミラー ジョーンズ教授 (オーストラリアのカーティン大学 ICRAR) は、ZME Science に語っています。 「 修正された質量と距離は、恒星とブラック ホール間の更新された軌道間隔にもつながります 、地球から太陽までの距離の 4 分の 1 の間隔で互いを周回します。」
この発見は、ジャーナル Science の最新版に掲載されました。 はくちょう座 X-1 には、重力波を使用しない従来の電磁天文学でこれまでに検出された、星だけの崩壊によって作成された最大のブラック ホールが含まれていることを意味します。もちろん、より大きなブラック ホールは存在しますが、これらは、最初の星の崩壊後に、より小さなブラック ホール間の合体などの他のメカニズムによって形成されます。
この研究の主任研究者であるミラー・ジョーンズは、ブラックホールが可能な最大速度に近い非常に急速に回転していることもチームが学んだことを説明しています.
この発見は、その質量がそのような物体に課せられた限界を超えているため、連星系におけるブラックホールの形成と星の発達に関する現在の理論と一致していません。
シグナス X-1 が星の進化の理論にどのように挑戦するか
チームは、VLBA と X 線望遠鏡を含む電波望遠鏡のネットワークを使用して、5.6 日間の軌道全体にわたってシグナス X-1 をほぼ連続的に観測するという野心的なプロジェクトを実施しているときに、彼らの発見に偶然遭遇しました。この研究の目的は、らせん状の降着円盤を介して連星パートナーからブラック ホールに供給されるガスが、中心領域付近から光速に近い速度で放出される強力な物質のジェットにどのように接続するかをよりよく理解することでした。
「ブラック ホールは、最も大規模な星が燃料を使い果たし、重力が引き継がれると、その死によって形成されます」と Miller-Jones 氏は言います。 「結果として生じるブラック ホールの質量は、それが形成された元の星の初期質量によって設定されます - これを原始星と呼びます -」星が生涯にわたって風で失った質量の量、および近くの伴星との相互作用」
Miller-Jones 氏は続けて、大質量星はその表面から非常に強力な風を放出し、数百万年の寿命の間に重大な質量損失をもたらすと述べています。星の進化の後期には、星が形成されたガス中のヘリウムよりも重い元素の量によって決定される、特に強い風があります。より重い元素はより強い風を意味し、最終的には重力崩壊の直前に星の質量が減少します。
一部の星は超新星爆発で崩壊してブラック ホールを形成するため、さらに質量を失う可能性がありますが、シグナス X-1 では爆発がなく、星が直接ブラック ホールに崩壊したことを証拠が示唆しています」と Miller-Jones 氏は述べています。 . 「星の進化の後期段階で恒星風が強ければ強いほど、ブラック ホールの質量は小さくなると予想されていたでしょう。」
当初、チームはシグナス X-1 連星系における質量格差の発見がどれほど重要であるかを完全には認識していませんでした。 Miller-Jones 氏は次のように述べています。 「観測天文学者として、私のチームと私は、ソース距離とブラック ホールの質量を修正できることをすでに発見していました。しかし、理論天文学者であるモナッシュ大学のイリヤ・マンデル教授を訪ねて初めて、これが実際にいかに重要であるかを理解しました。」
結果として得られた論文の共著者であるマンデルは、21太陽質量のブラックホールは、恒星内の大質量星によって失われた質量の量の現在の一般的な見積もりのために、制約が整った状態で天の川に形成するには大きすぎることに気付きました
Cygnus X-1:異論を唱える者はいない
チームの調査結果により、連星系で 21 太陽質量のブラック ホールの形成を可能にするシナリオを提案することができました。 「最終的に崩壊してブラック ホールになった星は、数百万年前に太陽の質量の 55 ～ 75 倍の質量で誕生したことを示唆しています」と Miller-Jones 氏は ZME に語っています。 「その一生の間に、その仲間である現在の超巨星に十分近かったため、表面からガスが仲間に移されました。これにより、ブラック ホールの前駆体の外層が取り除かれ、2 つの星が常に同じ面を互いに向けていたため、より急速に回転するようになりました。
さらに、ブラック ホールの誕生についての洞察を得るだけでなく、チームの結果は、システムがその寿命をどのように終わらせるかを示している可能性もあるとミラー ジョーンズは考えています。 「最後に、このシステムの最終的な運命を検討しました」と論文の筆頭著者は述べています。 「現在の伴星は最終的にブラック ホールを形成する可能性がありますが、2 つの星の分離は、2 つのブラック ホールが宇宙の年齢に匹敵する時間スケールで合体する可能性が低いようなものです。」
Astrophysical Journal に同時に掲載された関連論文 研究のこれらの要素をより深く掘り下げます。
はくちょう座 X-1、具体的にはそのブラック ホールが天文学と宇宙論の分野で議論を巻き起こしたのはこれが初めてではありません。この地域の強力な X 線源はブラック ホールの結果であるという憶測が高まる中、有名な物理学者スティーブン ホーキングは、1974 年にブラック ホールの研究でよく知られている科学者仲間のキップ ソーンに、シグナス X-1 には含まれていないと賭けました。ブラックホール。
ホーキング博士は、ロシアへの旅行中にソーンのオフィスに侵入し、組み立てられた賭けに署名することで認め、賭けに負けました.
チームは現在、この発見につながった技術を適用して、さらにブラックホールを調査する予定です。これにより、大質量星が恒星風によってどのように質量を失うかをよりよく理解できるようになるはずです。そうは言っても、はくちょう座 X-1 は天の川銀河では比較的ユニークであり、巨大な伴星とともに軌道上でこれまでに検出された数少ないブラック ホールの 1 つであるため、Miller-Jones は、天の川銀河でこれ以上の連星系を見つける可能性は低いと考えています。構成星とブラックホールの質量は、現在の見積もりから非常に劇的に発散しています。
「私にとって最もエキサイティングなのは、スクエア キロメートル アレイ電波望遠鏡 (SKA) などの最先端の新しい望遠鏡の出現により、より多くのブラック ホールを検出し、物質がどのようにブラック ホールに出入りするかなどの特性を研究できるようになることです。 Miller-Jones 教授は次のように述べています。 「この分野にいるのはエキサイティングな時期です!」
ソース
ミラー・ジョーンズ。 J.、Orosz。 J. A.、マンデル。 I.、「シグナス X-1 には 21 太陽質量のブラック ホールが含まれています – 大規模な星風への影響」、科学、 [2021]、[https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abb3363]
