天体物理学者たちは、望遠鏡を用いてブラックホールの裏側から来る光を検出した。これは、アインシュタインの一般相対性理論によって予測されたものの、これまで直接観測されていなかった物理現象を捉えるためである。この新たな発見は、ブラックホールが光を歪める仕組みに関する考えを裏付けるものとなった。
研究チームは最近、超大質量ブラックホールI Zwicky 1によって発生したコロナフレアを調査しました。その結果、フレアによって発生したX線の一部がブラックホールの円盤の裏側で反射され、その重力場によって天体の周りを曲げられていることが分かりました。これは、遠方の天体からの光が質量の大きい天体の周りを曲げられることで視界が歪む重力レンズ効果とは異なります。今回の場合、コロナフレアからのX線はブラックホールの降着円盤で反射し、ブラックホールの周りを曲げて研究者の望遠鏡に向かって戻ってきました。研究チームの分析結果は本日、Nature誌に掲載されました。
「ブラックホールに入った光は外に出てこないので、ブラックホールの背後にあるものは何も見えないはずです。それが見えるのは、ブラックホールが空間を歪ませ、光を曲げ、自身の周囲の磁場をねじ曲げているからです」と、スタンフォード大学カブリ粒子天体物理学・宇宙論研究所の天体物理学者で、今回の研究の共著者であるダン・ウィルキンス氏は、スタンフォード大学のプレスリリースで述べています。
ブラックホールの重力は非常に強く、一度吸い込まれると光でさえ脱出できません。ブラックホールに落ち込む物質は、原子レベルにまで引き裂かれるほどの強力な力によって引き裂かれ、宇宙構造の周囲に超高温で磁化されたプラズマのスープを作り出します。この荷電プラズマは、ブラックホールの降着円盤（ほとんどの超大質量ブラックホールの周囲にあるDVD型の巨大な物質の集合体）の大部分を形成し、ブラックホールの磁場を生み出します。これらの磁場が弧を描いて収束すると、ブラックホールの非常に高温の周辺部で、太陽のコロナで発生するのと同様の明るいフレアアップが発生します。
ブラックホールの強力な重力が光を曲げるという考えはアインシュタインによって提唱されましたが、技術が追いつくまでにはかなりの時間がかかりました（そして今でも完全には追いついていません）。「50年前、天体物理学者たちがブラックホール付近の磁場がどのように振る舞うかについて推測し始めたとき、将来私たちがこれを直接観測し、アインシュタインの一般相対性理論の作用を観察できる技術を手に入れるとは想像もしていませんでした」と、スタンフォード大学の素粒子物理学者で論文共著者のロジャー・ブランドフォード氏は大学の発表で述べています。
ブラックホールの裏側からの光の最近の観測は、欧州宇宙機関（ESA）のX線多重反射望遠鏡（XMM-Newton）望遠鏡とNASAのNuSTAR望遠鏡を用いて行われた。研究チームはこれらの望遠鏡を用いて、地球から約8億光年離れた幅2800万キロメートルのブラックホールから発せられる明るいX線フレアを観測した。しかし、これらの明るいバーストの後に、驚くべきことに、より小さなX線バーストが散発的に発生していることを発見した。これは、2回目のX線バーストが、ブラックホールの裏側で反射した、以前のバーストのエコーであることを示唆している。
MITの観測天体物理学者で、今回の論文とは無関係のエリン・カラ氏は、ギズモードへのメールで、この研究は「反響光エコーの作用を非常によく示している」と述べている。カラ氏はさらに、ウィルキンス氏のチームが各フレアの発生に必要なエネルギー量を示したことが重要だと付け加えた。これにより、エコーフレアがブラックホールの物理的性質によって歪んだフレアの反射であり、ブラックホールのコロナ内の他の場所で発生した小さなフレアではないことが示された。
「反響は他のブラックホールでも観測されています。超大質量ブラックホールと恒星質量ブラックホールの両方から発生しています。しかし、通常、そのような信号を見るには、様々な時間スケールで多数のフレアを平均化する必要があります。今回の観測はブラックホールの集積に関する私たちの一般的な考え方を変えるものではありませんが、これらの系において一般相対性理論が作用していることを立証する素晴らしい証拠です」とカラ氏は述べた。
より高精度な望遠鏡は、天体物理学者によるこれらの物理現象だけでなく、ブラックホールのその他の奇妙な挙動への理解を深める可能性があります。理論は観測よりも先行する傾向があります。なぜなら、私たちは自身の創造力よりも技術によって制限されているからです。しかし、自然界で最も極端な天体に関する、さらに驚くべき発見が今後出てくることは間違いありません。
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