このエッセイは、ハーバード大学の ブラック ホール イニシアチブ によって開催された 2019 年のライティング コンテストの 5 人の受賞者の 1 人です。 「ブラック ホール イニシアチブは、ブラック ホールのトピックをより創造的かつ包括的に考えるためのユニークな環境を提供します」と、BHI ディレクターの Avi Loeb は述べています。天文学者が初めてブラック ホールを観測したというエキサイティングな 4 月 10 日の発表に文脈を加えるために、今週 Nautilus は、受賞した 5 つのエッセイすべてを特集しています。
1700 年代、イギリスのジョン ミッシェルとフランスのピエール シモン ラプラスは、それぞれ「既成概念にとらわれない方法」で考え、信じられないほど小さな体積に巨大な塊が置かれたらどうなるかを想像しました。この思考実験を極限まで推し進めた結果、彼らは、重力は光さえも逃がさないかもしれないと推測しました。ミシェルとラプラスは、現在ブラックホールと呼ばれるものを想像していました.
天文学者は現在、大質量星が核燃料を使い果たすと崩壊してほぼ無になり、ブラックホールが形成されると確信しています。星が崩壊してブラック ホールになるという概念は驚くべきものですが、数百万、さらには数十億もの星の物質が凝縮して 1 つの超大質量ブラック ホールになる可能性はさらに素晴らしいものです。しかし、天文学者は現在、超大質量ブラック ホールが存在し、宇宙の 1,000 億個の銀河のほとんどの中心にあると確信しています。
どのようにしてこの驚くべき結論に達したのでしょうか?物語は、天文学者が私たちの目が敏感な非常に狭い範囲の波長を超えて視野を広げた 1900 年代半ばに始まります。非常に強力な電波源が発見され、正確な位置が決定されると、その多くが遠方の銀河に集中していることが判明しました。その後まもなく、角度分解能を大幅に改善するために無線アンテナが相互にリンクされました。これらの新しい「干渉計」は、銀河からの電波放射のまったく予想外の図を明らかにしました。電波は、銀河自体からではなく、銀河の周りに対称的に配置された 2 つの巨大な「葉」から来ているように見えました。図 1 は、はくちょう座 A という名前のこのような「電波銀河」の例を示しています。電波ローブは、宇宙で最大の構造の 1 つであり、銀河自体の 100 倍以上の大きさです。
巨大な無線ローブはどのようにエネルギーを与えられているのですか?銀河を中心とした対称的な配置は、密接な関係を明確に示しています。 1960 年代に、感度の高い電波干渉計が、銀河の正確な中心にある非常にコンパクトな発生源までさかのぼる葉からの電波放射を追跡するかすかな軌跡、つまり「ジェット」を発見することによって、関係の状況的なケースを確認しました。これらの発見により、電波天文学者は、これらの放射をよりよく解決するために干渉計のサイズを大きくするようになりました。最終的に、これは超長基線干渉法 (VLBI) の技術につながりました。VLBI では、地球上のアンテナからの無線信号を組み合わせて、地球サイズの望遠鏡の角度分解能を取得します。 VLBI 観測から作成された電波画像は、電波銀河の中心にある源が、銀河の基準では「微視的」であり、太陽と最も近い星の間の距離よりもさらに小さいことをすぐに明らかにしました。
天文学者が電波ローブに電力を供給するために必要なエネルギーを計算したとき、彼らは驚愕しました。アインシュタインの有名な方程式 E を使用して質量をエネルギーに完全に変換するには、1,000 万個の星を「蒸発」させる必要がありました。 =MC !星に動力を与える核反応は、星の質量の 1% をエネルギーに変換することすらできません。したがって、原子力で電波ローブのエネルギーを説明しようとすると、10 億個以上の星が必要になり、これらの星は、VLBI 観測によって示される「微視的な」体積内に存在する必要があります。これらの発見により、天文学者は代替エネルギー源である超大質量ブラック ホールを検討し始めました。
銀河の中心に超大質量ブラック ホールが存在する可能性があることを考えると、天の川銀河の中心にそのような怪物がないか調べるのは自然なことでした。 1974 年に、1 秒角 (1/3600 度) 未満の非常にコンパクトな電波源が発見されました。コンパクトなソースはいて座 A、または略して Sgr A と名付けられ、図 2 の右側のパネルの中央に示されています。初期の VLBI 観測では、Sgr A が太陽系のサイズよりもはるかにコンパクトであることが確立されました。しかし、明確な光学、赤外線、さらには X 線の放出源を確信を持って特定することはできず、その性質は謎のままでした。
一方、高解像度赤外線カメラの開発により、天の川の中心に密集した星団が存在することが明らかになりました。これらの星は、可視光が介在する塵によって完全に吸収されるため、光の波長では見ることができません。しかし、赤外線波長では、星の光の 10% が望遠鏡に届き、天文学者は 20 年以上にわたってこれらの星の位置を測定してきました。これらの観測は、重力軌道のユニークな特徴である楕円軌道に沿って星が移動しているという重要な発見で最高潮に達しました。図 2 の左側のパネルに示されているように、これらの星の 1 つが完全な軌道上で追跡されています。
多くの星が部分軌道に沿って追跡されており、すべてが単一の天体の軌道と一致しています。 2 つの星が、銀河の基準では非常に小さい太陽系のサイズ内に中心に近づいていることが観測されています。この時点で、重力が非常に強いため、星は毎秒約 10,000 キロメートルで周回しています。これは、1 秒で地球を横切るのに十分な速さです。これらの測定値は、星が太陽の 400 万倍の目に見えない質量に反応していることに疑いの余地はありません。この質量を、恒星の軌道によって示される (天文学的に) 小さい体積と組み合わせると、非常に高い密度が示されます。この密度では、どのような種類の物質も崩壊してブラック ホールを形成しないことを想像するのは困難です.
先ほど説明した赤外線の結果は、電波波長での観測によって見事に補完されます。いて座Aの赤外線対応物を特定するには、電波源の位置を赤外線画像に正確に転送する必要がありました。これを行うための巧妙な方法は、電波と赤外線の両方の波長で可視光源を使用して、参照フレームを結び付けます。理想的な光源は巨大な赤い星で、赤外線で明るく、周囲の分子から電波波長で強い放射があります。これらの星の位置を 2 つの波長帯で一致させることにより、いて座 A の電波位置を 0.001 秒角の精度で赤外線画像に変換できます。この技術により、いて座 A は軌道を回る星の重心の位置に正確に配置されました。
恒星軌道内の暗黒質量のうち、電波源であるいて座 A と直接関連付けられるのはどれくらいですか?いて座 A が星であるとすれば、他の星と同じように、強い重力場の中を毎秒 10,000 キロメートル以上の速さで移動していることになります。 Sgr A が非常に大きい場合にのみ、動きが遅くなります。いて座 A の位置は 20 年以上にわたって VLBI 技術で監視されており、天の川の動的中心で本質的に静止していることを明らかにしています。具体的には、天の川の平面に垂直ないて座 A の固有運動の成分は、毎秒 1 キロメートル未満です。比較すると、これは地球が太陽を周回する速度よりも 30 倍遅い速度です。いて座 A が本質的に静止しており、銀河の中心を固定しているという発見には、いて座 A が太陽の 400,000 倍以上の質量を含んでいることが必要です。
最近の VLBI 観測では、いて座 A の電波放射のサイズが水星の軌道内に含まれるサイズよりも小さいことが示されています。 Sgr A が利用できるこの体積をその質量の下限と組み合わせると、驚くほど高い密度が得られます。この密度は、ブラック ホールの限界の 10 分の 1 未満です。このような極端な密度では、いて座 A が超大質量ブラック ホールであるという圧倒的な証拠があります。
これらの発見は、その直接性と単純さにおいてエレガントです。星の軌道は、目に見えない大きな質量集中の完全に明確で明確な証拠を提供します。コンパクトな電波源 Sgr A が目に見えない質量の正確な位置にあり、静止していることを発見すると、超大質量ブラック ホールのさらに説得力のある証拠が得られます。これらが一体となって、超大質量ブラック ホールの幻想的な概念が実際に現実のものであることを示す、シンプルでユニークなデモンストレーションを形成しています。 John Michell と Pierre-Simon Laplace は、ブラック ホールに関する彼らの予想が正しいことが判明しただけでなく、彼らが想像していたよりもはるかに壮大であることを知って驚くことでしょう。
Mark J. Reid は、ハーバード &スミソニアン天体物理学センターの上級天文学者です。彼は世界中の電波望遠鏡を同時に使用して、生まれたての星や死にかけている星、そしてブラック ホールの最高解像度の画像を取得しています。
このエッセイは、ブラック ホール研究所のエッセイ コンテストで 2 位になりました。
この記事は、もともと 2019 年 2 月の「パターン」号に掲載されたものです。
