私たちの銀河系の中心にある超大質量ブラックホールは、天の川銀河の文句なしのヘビー級チャンピオンですが、新たに発見された物体が、私たちの銀河系で知られている最も質量の大きい恒星ブラックホールの称号を獲得しました。その質量はなんと太陽の33倍です。
パリ天文台の天文学者パスクアーレ・パヌッツォ率いる研究チームは、天の川銀河でこれまでに観測された中で最も質量の大きい恒星ブラックホールを発見した。ガイアBH3は、これまでの記録保持者であるはくちょう座X-1（わずか太陽の21倍）をはるかに上回る質量を持つ。この発見の詳細は、本日「天文学と天体物理学」誌に発表された論文で発表された。
ガイアBH3は、地球から約2000光年離れたわし座にあります。研究チームは、欧州宇宙機関（ESA）の宇宙望遠鏡「ガイア」ミッションのデータ解析中にこの恒星を発見しました。ガイアは2013年から運用されている宇宙望遠鏡です。ガイアの継続的なミッションは、銀河系の最も詳細な3次元地図を作成することです。BH3を周回する恒星は天文学者の間では既に知られていましたが、ブラックホールの伴星であることは天文学者にとって全くの驚きであり、その質量はさらに驚きでした。
「初めて結果を見たとき、データに問題があると確信しました。信じられませんでした」とパヌッツォ氏はギズモードに語った。「今、本当に人生最大の発見をしたと感じています！」
この発見は、チリにあるヨーロッパ南天天文台の超大型望遠鏡の紫外線・可視エシェル分光器（UVES）、スペインのメルカトル望遠鏡のHERMES分光器、フランスのSOPHIE高精度分光器など、地上の一連の観測所と最新鋭の機器によって支えられた。
天文学者たちはガイア衛星の精密な観測結果を用いて、ブラックホールの軌道の大きさと恒星がブラックホールの周りを一周するのにかかる時間を決定した。次に、惑星や恒星の運動を記述する原理であるケプラーの法則を適用し、軌道の大きさと周期からブラックホールの質量を計算した。彼らは2つの方法を用いた。1つは天文測定、もう1つはドップラー効果を利用して恒星が地球に近づいたり遠ざかったりする速度を測定する分光法である。
恒星ブラックホールは、巨大な恒星が自らの重力で崩壊した残骸であり、通常は太陽の約10倍の質量を持つブラックホールを形成します。ガイアBH3の大きな質量は、金属の少ない恒星が生涯を通じてより多くの質量を保持し、死後により大きなブラックホールを形成した可能性を示唆していると、新たな研究は述べています。
対照的に、銀河系の中心に位置する超大質量ブラックホール「いて座A*」は、太陽の約400万倍の質量と、はるかに巨大です。これらの巨大ブラックホールは、単一の恒星の崩壊によって形成されるのではなく、より小さなブラックホールの合体と、数百万年にわたるガスや恒星物質の蓄積によって成長すると考えられます。
恒星ブラックホールは「太陽の40～50倍もの質量を持つ巨大な恒星が、その寿命の終わりに重力崩壊によって形成されます」とパヌッツォ氏は説明した。「この種の恒星の寿命は、太陽の100億年と比較すると数百万年と短く、超新星爆発でその生涯を終え、ブラックホールを残します。銀河中心にある超大質量ブラックホールと混同しないよう、私たちはこれを『恒星』ブラックホールと呼んでいます。」
パヌッツォ氏は、私たちの銀河系にはさらに巨大な恒星ブラックホールが存在する可能性が「かなり高い」と述べた。LIGO-Virgo-KAGRA重力望遠鏡は、これまで遠方の銀河で太陽の80倍以上の質量を持つブラックホールの合体を検出している。確かに、重い恒星ブラックホールは以前にも検出されたことがあるが、それらは他の銀河で、また別の検出方法を用いていた。これらの遠方のブラックホールは、恒星ブラックホールの合体によって引き起こされる時空のさざ波を観測する重力波天文学によって特定されている。私はパヌッツォ氏に、なぜはるか遠くの銀河では巨大な恒星ブラックホールが発見されてきたのに、私たちの銀河系ではつい最近になってようやく発見されたのかを尋ねた。
「理由は二つあります」と彼は述べた。「一つは、LIGO-Virgo-KAGRAの重力望遠鏡が、数十億もの銀河を探査することで、非常に遠くにあるブラックホールの合体を検出できることです。もう一つは、これらのブラックホールが金属量の低い大質量星によって生成されることです」つまり、ほぼ水素とヘリウムだけで構成され、他の元素は微量しか存在しない星です。「これらの星は、私たちの銀河系が誕生したばかりの頃にのみ存在していたため、銀河系内で新たな大質量ブラックホールが形成される様子はもはや観測できません」とパヌッツォ氏は述べた。
本研究で使用されたデータは当初、2025年末までに予定されている次回のGaiaデータ公開に向けて公開される予定でした。しかし、発見の重要性から、研究チームは早期に公開することを選択しました。「この発見は、恒星進化モデルと重力波場に多くの示唆をもたらします」とパヌッツォ氏は説明します。「この例外的な発見を、次回の公開まで2年間もの間、科学界に隠しておくことはできないと判断しました。」さらに、今公開することで、科学界はより早く追跡観測を行うことができると付け加えました。
そのため、ESO の超大型望遠鏡干渉計に搭載された GRAVITY 装置による今後の観測では、このブラックホールが周囲から物質を引き寄せているかどうかを判断し、その性質と動作に関するより深い洞察を提供することを目指します。
さらに：時空の波紋が星の残骸と衝突する謎の物体を明らかにする。
