この「ブラックホール観測者」は星空の闇を見つめている

「今夜は最高だ、誰も一緒にいない、横になって澄んだ心で星空を眺める」という澄み切った広大な感覚であれ、「長い夜の始まりに鐘と太鼓が遅く鳴り、星空はもうすぐ明ける」という悲しく憂鬱な感覚であれ、私たちが古代の人々と同じ星空を見上げていることを証明するには証拠が多すぎる。どちらも、人間が頭上の無数の星に感情を託すことに慣れてしまったようだ。私たちの骨の奥深くに根付いている宇宙への憧れについて、アメリカの作家ティモシー・フェリーズはかつて、その著作の中で独特の洞察を表現しました。「ある意味で、私たちは星の物質から作られています。それは私たちの遺伝子の中に存在しているので、これは自然な好奇心とも言えるでしょう。」かつて、厦門大学物理科学技術学院天文学部の教授である呉建鋒も、好奇心の強い「星を数える子供」でした。彼は、急速な技術発展の時代に生まれたことは幸運だったと認めた。星空観察の技術と機器の発達は、間違いなく彼と彼が憧れる宇宙との間に目に見えない橋を架けた。

▲呉建鋒

可視光から電磁波帯全​​体、重力波、ニュートリノ、宇宙線などのマルチメッセンジャー観測、夜空の観測から宇宙の起源の合理的な分析まで、人類は長い探究の時代を経てきました。歴史に名を残した画期的な出来事や偉人は数多くいますが、ブラックホールを発見するという栄誉にあずかることのできる天文学者はいません。光さえも逃れられないほど時空の曲率が大きいこの天体は、20年以上もの間、呉建鋒の注目を集め続けている。 「ブラックホールはどんな形をしているの？どこから来るの？どこに行き着くの？」彼は西洋哲学のこの三つの永遠の命題を用いて、夜空に浮かぶ無数の神秘的な天体について何度も疑問を投げかけました。

星と月は明るく、明るい川が私の心の中にあります

呉建鋒氏が初めて天体物理学に出会ったのは、清華大学の授業にまで遡る。 1999年、彼は清華大学に入学し、学部生として基礎科学を学び、同時に人生の夢を追う新たな章をスタートさせました。呉建鋒は、広大な空間と時間、そしてその中にあるすべての物質を研究する物理学を「合理的思考の輝き」とみなし、全力を尽くして追求する価値があると考えている。そのため、図書館と教室を頻繁に行き来する生活の軌跡は、彼に退屈やイライラを感じさせることはなかった。それどころか、天体物理学との関わりや研究は、幼少期に星空を眺めていた思い出を常に呼び起こし、生涯にわたる追求への信念を強めました。今日まで続いているこの興味と信念によって、天文学と天体物理学の博士号取得を継続するという決断が避けられなくなったのです。

天文学と物理学の交差点を正式に修了し、科学の基礎をしっかり身につけた天文学研究者になった後、呉建鋒は、すべての天体が実際には独自の過去を持っていることを発見しました。自然の法則と歴史上の偶然の複合的な影響が人類の運命を形作り、人類は歴史の長い流れの中で最善を尽くしてきたが、真実の断片を拾い上げただけである。したがって、新しい星を発見し、宇宙を理解できるようになるまでには、まだ長い道のりが残っています。星と月の明るい光の下、広大な世界にはやるべきことがまだたくさんあります。そこで博士号取得を目指しながら、彼は「クエーサー」と呼ばれる特殊な天体に注目した。

クエーサーは、パルサー、マイクロ波背景放射、星間有機分子とともに、1960 年代の天文学における「四大発見」として知られています。本質的には、それらは「星のような天体」のように見えることから名付けられていますが、実際には活動銀河核の一種であり、銀河の中心にある超大質量ブラックホールの活発な集積状態の外部的な現れです。中心のブラックホールの質量は、太陽の100万倍を超えることが多い。ブラックホールは周囲のガスを激しく飲み込むことで成長し、ブラックホールの周りに降着円盤と呼ばれる円盤を形成します。一般的に言えば、クエーサーはまばゆいほど明るいタイプの天体であるはずです。 I 型クエーサーは通常、紫外線および可視スペクトルに強い幅広い輝線を持ちます。しかし、過去 20 年間で、幅広い輝線が非常に弱く、輝線の強度が典型的なクエーサーよりも 1 桁以上低い特殊なクエーサーが数百個発見されました。この弱い輝線の原因は長い間天文学者を悩ませてきました。

博士課程の学生である Wu Jianfeng 氏は、この問題に対して独自の解決策を提示しました。彼は革新的なマルチバンド解析法を用いて、弱輝線クエーサーの平均X線放射強度も典型的なクエーサーよりも大幅に弱いことを発見し、それによってそれらの特殊輝線特性と特殊X線特性との相関関係を確立しました。その後、呉建鋒と彼の協力者たちは意気投合し、さらに「遮蔽ガス」モデルを提案し、弱輝線クエーサーの特殊輝線特性とX線特性をうまく説明しました。このモデルは国際的な同業者から広く注目され、引用されています。その後の研究では、弱い輝線クエーサーは、超大質量ブラックホールが周囲のガスを極めて速い速度（「エディントン限界」を超える）で集積している状態を表している可能性が高いことも判明した。つまり、このタイプのクエーサーのブラックホールは、通常のクエーサーよりもはるかに速くガスを消費します。宇宙の最も初期の段階では、この特殊なタイプのクエーサーの割合は、後の時代よりも大幅に高かった。したがって、弱い輝線クエーサーの研究は、宇宙で最も初期の超大質量ブラックホールの成長法則を解明する手がかりも提供することになります。その結論は非常に重要です。現在、ウー・ジャンフェンはチームを率いて、X線光の変化とサブミリ波の観測という2つの新しい観点から、弱い輝線クエーサーの「遮蔽ガス」モデルとそれらのホスト銀河との共進化法則をさらに定量的に制約し、宇宙に対する人類の理解をさらに深めようとしています。

第二に、呉建鋒は初期宇宙の「電波灯台」であるクエーサーの研究も怠らなかった。明るい電波放射を持つ「電波ノイズクエーサー」は、高度にコリメートされた相対論的ジェットを持ち、そこに含まれる高エネルギー粒子は、光速に近い速度で数万光年、あるいは数百万光年にわたって伸びています。これは宇宙で最もエネルギーの強い現象の一つと言えます。しかし、X 線放射はジェットの重要な特徴であるにもかかわらず、その発生メカニズムは、この分野で常に議論の焦点となってきました。ジェットX線の主な放射メカニズムは、シンクロトロン放射自体のコンプトン化と宇宙マイクロ波背景放射の逆コンプトン散乱の2つであると一般に考えられていますが、どちらのメカニズムが支配的な役割を果たしているかについてはまだ合意が得られていません。そこで、呉建鋒氏は初期宇宙における電波ノイズの高いクエーサーを研究し、これらのクエーサーの過剰なX線放射を初めて発見した。これらの相対的なX線放射強度は、後期宇宙の同様のクエーサーの約3倍でした。この発見は、逆コンプトン散乱メカニズムによる宇宙マイクロ波背景放射の時間発展によってうまく説明できます。このメカニズムはより近い宇宙では支配的ではありませんが、赤方偏移が増加するにつれて、つまりより早い宇宙に移動するにつれて、宇宙マイクロ波背景放射のエネルギー密度の増加により、このメカニズムによって生成される X 線放射が大幅に増強され、支配的になります。したがって、初期宇宙ジェットのX線放射は、元のものを超えることになります。簡単に言えば、この研究は、このメカニズムの優位性をうまく利用し、宇宙のさまざまな時代の歴史を結び付け、人類にとって初期宇宙の様相の一部を復元したのです。

「深淵」を見つめて真実を「釣り上げる」

「新しい機関で働くたびに、科学研究分野を拡大するために全力を尽くします。」呉建鋒氏は、世界トップクラスの天文学研究機関であるハーバード・スミソニアン天体物理学センターとミシガン大学での2度の博士研究員としての研究経験からインスピレーションを得ました。同僚とのコミュニケーションと協力、そして先人の指導のおかげで、彼の科学研究分野はブラックホールの研究からブラックホールの発見へと拡大しました。

▲厦門大学で天文学を専攻する学部生に「高エネルギー天体物理学」を教えている呉建鋒さん

人類史上初めて発見され確認されたブラックホールの種類は、巨大な恒星の寿命の終わりに生成される恒星ブラックホールでした。 「ブラックホール無毛定理」によれば、天体物理学においてブラックホールを完全に記述するには、質量とスピンという 2 つの基本パラメータのみが必要です (電荷は通常 0 であると想定されます)。これら 2 つのパラメータのうち、品質の方がより基本的なものです。したがって、ブラックホールの質量を正確に測定することは、当然、他のブラックホール研究の前提条件となります。確かなことは、現在、電磁波の観測によって明らかに確認されている恒星質量ブラックホールは、すべて連星系、つまりブラックホールと普通の恒星（伴星と呼ばれる）が互いに周回する系の中に存在しているということです。残念ながら、伴星が低質量星（太陽と同程度かそれより小さい）である連星系の場合、ブラックホールの質量を正確に測定することは常に難しい問題でした。その主な理由は、ブラックホールの周囲の降着円盤によって生成された放射線が伴星からの放射線を汚染し、システム全体の光学帯域でさらに不規則な光の変化を引き起こし、ブラックホールの質量の測定に大きな誤差をもたらすためです。ハーバード・スミソニアン天体物理学センターで博士研究員として研究を行っていたとき、呉建鋒氏は初めて厳密なスペクトルと測光観測法を使用しました。彼は分光法によって降着円盤の放射率を決定し、この率を使って測光法で得られた光曲線を補正し、ブラックホールの質量を正確に測定した。彼はまた、この方法をブラックホール連星の新星むすめ座1991（Nova Muscae 1991）に適用し、ブラックホールの質量におけるこれまでの偏差を修正し、将来の小質量ブラックホール連星の質量測定のモデルを提供しました。

呉建鋒氏によると、これまでに天の川銀河で発見され、確認されたブラックホール連星は、理論的に予測された数の「氷山の一角」に過ぎないという。 「これは、ブラックホール連星を探す従来の方法が非効率的であり、私たちが発見するのを待っているブラックホール連星がまだたくさんあることを示しています。」そのため、ほぼ同時期に、呉建鋒は「銀河核サーベイ」プロジェクトの中核メンバーの一人として、ブラックホール連星を発見するための新しい方法の探求に取り組んでいました。その中核と目的は、X 線調査とそれに続く光学分光法の観測を組み合わせることでした。この方法を使用して、彼と彼のチームはブラックホール連星の候補のグループを迅速に選択しました。星空への憧れからブラックホールに注目することまで、呉建鋒は星空の中に自身の研究座標を見つけ、宇宙の深淵を見つめ、その起源の真実を探究してきました。

「無駄なことを利用することが最大の利用である」

呉建鋒は学生時代から「宇宙を探索することの実際的な意義は何か」という疑問を抱いてきた。現在、彼は中国に戻り、厦門大学物理科学技術学院に6年以上在籍しています。長年の研究経験により、彼はより深い知恵と業界知識を蓄積することができました。上記の質問に対する答えは、「自分の興味に従い、自分の好奇心を満たす」から「無駄なことを利用することが最大の利用である」という 8 つの単語に徐々に進化しました。

天文学は役に立たないのでしょうか？ブラックホールの存在や非存在は私たちの生活とは何の関係もないのでしょうか？もちろん違います。この一見遠く離れた幻想的な自然現象は、しばしば未知の科学を生み出し、人間の精神と想像力の限界を絶えず広げています。最も典型的な例は量子力学の誕生です。まさにこの認識があったからこそ、呉建鋒氏は今後もこの「星を追いかける」探査の道を歩み続けるつもりだと述べた。現在、呉建鋒氏はチームを率いて研究を「中質量ブラックホール」という新たなフロンティアにまで拡大し、前述の恒星ブラックホールと超大質量ブラックホールの中間の質量を持つ新しいタイプのブラックホールを発見・特定し、ブラックホール全体の特性と起源をより完全に理解することを目指している。

膨大な研究作業を通じて、呉建鋒は大規模な天体調査とマルチバンド解析という独自の研究専門知識を徐々に開発しました。大規模な天体調査は現在の天文学の発展の傾向を表しており、天文学がデータ不足の時代からデータ豊富の時代へと真に移行することを可能にします。マルチバンド解析は、現代天文学におけるもう一つの重要な科学的研究方法です。 「これまで、単一のバンドから得られる天体に関する情報は、盲人が象に触れるのと同じように、一方的なものになることが多かった。複数のバンドのデータを組み合わせて、それらの相関関係を分析することによってのみ、より包括的な情報を得ることができる」と同氏は説明した。

教師として、呉建鋒さんは天文学をもっと多くの人に知ってもらう使命があると感じています。そのため、彼は自身の科学研究能力の開発に重点を置くだけでなく、学生の天文学リテラシーを養うことも自身の要件の一部として含めています。厦門大学に入学後、彼は授業の指導に細心の注意を払い、指導レベルの向上に多くの時間と労力を費やしました。彼の努力は報われ、厦門大学英語教育コンテストで最優秀賞（科学、工学、医学部門第1位）を獲得し、彼が教えた2つの学部課程は広く称賛されました。そのうち、一般教育科目「ブラックホールと重力波」は、厦門大学の一流学部科目の一つに選ばれ、厦門大学美学教育・一般教育センターの一流科目の一つとなるよう招待された。 「出張から戻って空港で荷物を待っていると、学生が近づいてきて挨拶し、以前私の『ブラックホールと重力波』の講座を受講したことがあると言ってくれたのを覚えています。とても嬉しかったです。」この経験を語るときはいつも、彼の目は輝きます。諺にもあるように、「金杯や銀杯は生徒の評判ほどの価値はない」。呉建鋒氏はこのことをよく理解しており、だからこそ厦門大学内外の多くの小中学校や科学技術施設で科学普及講座を行ったり、小規模な天文学講座を開催したりしている。例外なく、これらの活動に対する反応は非常に熱狂的でした。 「こうすることで、天文学は私たちの日常生活に本当に近づくことになるだろう」と彼は語った。

教育と科学研究に加えて、公共サービスも呉建鋒が意識的に行っている仕事の一部です。呉建鋒氏は、国立天文ビッグサイエンスセンターと多くの大学が共同で構成する「国際望遠鏡時間計画」（TAP）に多大な労力を費やした。また、プロジェクトの科学委員会の輪番委員長を務め、各大学から提出された望遠鏡観測申請の審査を主導し、プロジェクトの円滑な実施に実際的な貢献を果たしました。 「このプロジェクトは、国内の天文学研究機関が国際的に最先端の望遠鏡で観測時間を獲得するための主な方法の1つです。」彼はプロジェクトの進展の意義についてこう語った。

「実際、私がこれをするのは、実際に使用するためだけではなく、どうしようもないからでもあります。天文学者の心と魂は星空とつながっているべきだと信じているからです。」さらに、呉建鋒氏は、多くの種類の本の中で、歴史の本が一番好きだと主張した。 「物事がなぜそうなっているのかを知ることは重要です。物事の進化は、その本質と核心を最も直感的に反映することが多いのです。」そのため、彼は宇宙の歴史を復元することに当初と同じように執着しています。なぜなら、宇宙の歴史には人類の起源が含まれており、ある程度世界の未来を決定することになるからです。