(小谷 太郎:大学教員・サイエンスライター

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 天文学業界ではここ最近、天の川銀河中心の活動が活発になっていると話題です。ハワイ島はマウナケア山頂にあるケック望遠鏡赤外線で観測したところ、史上最高の明るさが記録されました。X線観測衛星やガンマ線観測衛星も、銀河中心からのフレア(爆発的放射)を報告しています。

 天の川銀河の中心核は太陽系から2万5600光年離れていますが、そこに一体何がいるのでしょうか。そこで今(から2万5600年前)、何が起きているのでしょうか。

天の川銀河の超巨大ブラックホール

 天の川銀河の中心核に一体何がいるのか、答えからいうと、超巨大ブラックホールです。その名を「いて座A*(エースター)」、あるいは「Sgr A*(サジテリウス・エースター)」といいます。略して「サジ・エー」と発音すると通っぽく響きます。(個人の感想です。)

(ついでに書いておくと、私たちの太陽系が属する星の大集団は「天の川」「天の川銀河」「銀河系」などといいます。この「銀河系」は固有名詞ですが、「系」をつけずに「銀河」というと星の大集団を表す一般名詞になり、こちらは宇宙にうじゃうじゃ浮かんでいます。何とも紛らわしい命名法です。)

 天の川銀河の中心に鎮座(ちんざ)まします超巨大ブラックホールSgr A*、その質量は私たちの太陽の約400万倍、おそらくこの銀河系で最も重い天体です。天の川銀河の主(ぬし)といっていいでしょう。

 Sgr A*についてはこの連載でも以前取り上げましたが、要点を軽くおさらいしましょう。

 ブラックホールは、重力が強すぎて、光さえも脱出できない天体です。その近くでは、空間が伸び、時間がゆっくりになるなど、常識に反する奇妙な現象がさまざま生じます。

 そんな常識に反する奇妙な物体が実在するのでしょうか。研究者は侃々諤々(かんかんがくがく)論争を重ねました。

 現在では、大小のブラックホールがいくつも発見されています。ブラックホールの実在を疑う人は(ほとんど)いません。

 中でもSgr A*は、独特の研究手法で存在が確かめられた超巨大ブラックホールです。

超高精度角度分解能で天の川銀河中心を観測

 太陽系から2万5600光年離れたSgr A*近傍、天の川銀河の中心部は、恒星の密集地域です。そこでの恒星間の典型的な距離は約1000天文単位で、これは太陽と太陽系外縁天体の距離程度です。あまり密集しているように聞こえないかもしれませんが、これは恒星と恒星の距離としてはぶつかりそうなくらいの密集度です。

 それほど遠くのそれほど細かい様子を観測するには、超絶高精度の角度分解能が必要です。角度分解能の優れた望遠鏡天の川銀河の中心部を観測すると、ぼやっとした像がいくつもの恒星に分解されます。21世紀には大型望遠鏡と「補償光学」の組み合わせによって観測が可能になりました。

 補償光学とは、観測している間に大気のゆらぎによって生じる星の像の乱れを、それに応じて鏡の形状を変えるなどの手法で補正する技術です。何だか手品のような技術ですが、現在では地上の大型可視光望遠鏡赤外線望遠鏡に必須となっています。

 観測中の大気のゆらぎは、ガイド星と呼ばれる、観測対象とは別の星を監視して測定します。レーザーで大気のナトリウム層を照らして人工ガイド星とすることが多いです。

 余談ですが、この補償光学が望遠鏡に実装されることにより、観測データの質の向上に加え、観測中の天文台の姿がカッコよくなるという副次効果が生じることになりました。

 以前は、観測中の天文台を外から見ても、ドームのスリットがちょびっと開くくらいの地味な変化しかなく、どこを観測しているかもよく分かりませんでした。けれども補償光学システムが稼働すると、鮮やかなナトリウム色のレーザーが夜空を切り裂き観測方向を指し示します。マウナケア山頂の天文台群が同時に補償光学システムを動かすと、山頂の光景はまるでコンサート会場のようになります。

ケック望遠鏡の銀河中心観測

 マウナケア山頂のケック望遠鏡は、補償光学によってグレードアップし、最高0.01秒角の角度分解能を達成しています。これならばSgr A*もそこに密集する恒星も、くっきり分解して鮮明に観測できます。

 このケック望遠鏡を用いて、カルフォルニアロサンゼルス校(UCLA)の銀河中心研究グループは、Sgr A*近傍の超高角度分解能観測を行なっています。その20年以上の観測データを1枚の図にしたものが次です。

 見方を説明をすると、青い宇宙にオレンジ色や黄緑色の丸が浮いていますが、これらの丸は一つひとつが太陽のような巨大な恒星やガス雲です。2万5600光年もの遠方にある恒星がこうして分解されて見えるのは驚きですが、この観測データのさらに凄いところは、20年の間にそれらの恒星が徐々に位置を変えて動くところが捉えられているということです。赤や青やシアンの楕円はそれらの恒星の描く軌道です。

 地球や火星や木星などの惑星は、何年もかけて位置を変え楕円を描き、太陽を周回しています。それと同様に、天の川銀河中心部の恒星は、何年もかけて位置を変え楕円を描き、何らかの重力源を周回しているのです。

 このデータから計算すると、その重力源の質量は太陽の約400万倍になります。

 これは、天の川銀河の中心に存在する、太陽質量の約400万倍の超巨大ブラックホールの決定的な証拠写真なのです。

どこの銀河もモンスターを飼っている

 ところで、広い宇宙には無数の銀河がうじゃうじゃ浮いています。それらの無数の銀河はどれもこれも、中心部に超巨大ブラックホールを1匹飼っていると考えられています。

 ただし、他の銀河は2万5600光年どころではない遠方にあるので、Sgr A*のように直接観測は(可視光望遠鏡や赤外望遠鏡では今のところ)できません。

 超巨大ブラックホール自体は(おそらく)光も物質も出さないのですが、ブラックホールに落ちる物質(主に水素ガス)は、その極端に深い重力ポテンシャル中で、超高温に熱せられて光ります。一部の落下物質は逆に吹き飛ばされ、光に近い速度の「宇宙ジェット」を形成したりします。

 宇宙にたくさんある超巨大ブラックホールの中には、周囲の物質をどんどん飲み込んでいる最中のものもあり、そういうものはX線やガンマ線や可視光線や赤外線ジェットを噴射して、数千万光年の彼方の観測装置に「ここにモンスターブラックホールがいるよ」と知らせてくれるのです。

 そういう活発に活動する超巨大ブラックホールは、歴史的に、さまざまな観測装置によってさまざまな異なる天体現象として発見され、「クエイザー」「BL Lac(ビーエル・ラック)天体」「セイファート銀河」「電波銀河」「ジェット銀河」などと、てんでんばらばらな名前で呼ばれてきました。ここではまとめて「活動銀河核」と呼んでおきます。周囲の物質を飲み込んで電磁波や物質を放射する超巨大ブラックホールがすなわち活動銀河核です。

Sgr A*が動きだした!?

 さて我らがSgr A*は活動銀河核ではありません。今観測されているのはSgr A*の2万5600年前の姿なので、少なくとも2万5600年前にはSgr A*は活動銀河核ではありませんでした。これは、Sgr A*に落ち込むガスや恒星などが現状では少なく、活動銀河核として活動するための燃料が供給されていないためでしょう。

 さてさて、前述のUCLA銀河中心研究グループの杜亨駿(Tuan Do)博士らが、先日2019年5月にSgr A*の赤外線観測を行なったところ、この超巨大ブラックホールが観測史上最高の明るさで輝いているのを見つけました*1

*1:Tuan et al., 2019, “Unprecedented variability of Sgr A* in NIR”, to be appeared in ApJ Letters.

 赤外線写真から作られた動画を以下に示します。Sgr A*は明るいだけでなく、その放射は激しく変動し、見る間に75分の1に減りました。したがって、観測直前にはもっと明るかったと思われます。

 この報告を受けて、地上望遠鏡だけでなく、X線観測衛星ART-XC*2やニール・ゲーレルズ・スウィフト天文台*3もSgr A*を観測しました。果たしてSgr A*はX線やガンマ線でも明るくなっていることが報告されました。X線が爆発的に放射されることを「フレア」といいます。どうやらSgr A*はフレアを起こしているようです。

*2:M. Pavlinsky on behalf of ART-XC collaboration, 2019, ATel 13023, “ART-XC/SRG observes activity from Sgr A*
*3:Degenaar et al., 2019, ATel 12768, “Swift/XRT detects a bright X-ray flare from Sgr A*

 このようにSgr A*が急に明るくなったのは、何が原因でしょうか。誰がSgr A*に燃料を投下したのでしょうか。

 実は、Sgr A*に燃料を投下した容疑者の名はすでに挙がっています。「S0-2」という恒星と、「G2」という天体です。G2は塵天体ではないかという説もあります。

 S0-2は2018年に、G2は2014年にSgr A*に最接近しています。このときS0-2やG2を構成する物質(主に水素ガス)が剥ぎ取られ、Sgr A*に流れ込んだ可能性があります。その時の物質が2019年になってSgr A*の事象の地平線近くに到達して光りだしたのかもしれません。

 ただし、現在の質量降着の理論では、最接近から何年も経ってSgr A*が輝き出す時間差がうまく説明できません。

 Sgr A*は私たちに最も近い超巨大ブラックホールです。実際に物質が落ちたときに何が起きるかを観察できるのは、Sgr A*だけです。この観測は、質量降着の理論の試金石となるでしょう。教科書が書き変わるかもしれません。

 また私たちは、どの超巨大ブラックホールが活動銀河核となり、どれが活動をしない暗い核になるのか、その違いを生みだす機構をよく理解していません。もしもSgr A*が過去2万5600年以内に活動を始めたならば、活動銀河核の誕生がこれから観測できます。人類の活動銀河核についての理解は飛躍的に高まるでしょう。(ただしその知識と引き替えに、天の川銀河に住む生命は大絶滅を迎えるかもしれません。いくつもの惑星で(数万年の時間差で)同時に起きる大絶滅は「超巨大絶滅」とでも呼ぶべきでしょうか。)

 今後数万年は天の川銀河中心に注目です。

[もっと知りたい!続けてお読みください →]  ブラックホールの写真、一体何を写したものなのか?

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銀河中心を仲良く観測するケック望遠鏡(左)とすばる望遠鏡(右)。補償光学用のレーザーが光っている。(今回紹介するデータの取得時に撮影された写真ではありません。) (提供:W. M. Keck Observatory/Sean Goebel)