ブラックホールの「採餌」の様子をライブでお届け！星はどうやってスパゲッティになったのでしょうか？

ブラックホールが星をスパゲッティに変える：宇宙の犯罪現場が明らかに

天文学者たちは、巨大ブラックホールによって破壊され、部分的に飲み込まれ、あたかも細長い「スパゲッティ」のようになってしまったかのような星の最終的な運命を再現することに成功した。

巨大なブラックホールの巨大な重力によって引き裂かれる星の画像。

(画像提供: NASA/CXC/M. Weiss)

宇宙観測により、ブラックホールがどのように「餌を食べている」かについての詳細が明らかになった。新たな研究で、天文学者たちは超大質量ブラックホールによる恒星の破壊を調査し、これらの宇宙の怪物がどのようにして近くを通過する物質を飲み込むのかを明らかにした。結果は、この物質のかなりの量がブラックホールに飲み込まれず、放出されることを示しています。

この血なまぐさい現象は、地球から215光年離れた場所で発生し、2019年10月に初めて観測されたが、太陽のような恒星が質量の100万倍以上もあるブラックホールによって破壊された後の現象だった。これは、天文学者がこれまで観測した中で最も近い恒星の「スパゲッティ化」現象であり、巨大なブラックホールによる潮汐力によって引き起こされた。

このいわゆる潮汐破壊現象は、アンドロメダ座の渦巻銀河で発生しました。これは、可視光で十分に明るくなり、天文学者が星が引き裂かれた後の物質の挙動を詳細に研究できる初めての出来事である。

カリフォルニア大学バークレー校の研究者らは、この現象中に光の偏光を観測し、恒星の物質のほとんどがブラックホールの周囲から時速2200万マイル（約3500万キロメートル）の速度で放出されたとの結論に達した。 AT2019qizと名付けられたこの放出イベントにより、ガス雲が発生した。新たな偏光観測により、ガス雲が球対称の形状をしていることが分かりました。この雲は地球から太陽までの平均距離の200倍の幅があり、その半径は地球の軌道半径の100倍である。また、その外縁は中心のブラックホールから約9億3000万マイル（15億キロメートル）離れている。

カリフォルニア大学バークレー校の天文学者ウェンビン・リュ氏は、この観測結果を記した新しい論文の共著者である。 「超大質量ブラックホールが巨大な潮汐力で星々を引き裂く能力は、宇宙で最も驚くべきものの一つだ」と彼は声明で述べた。彼はまた、「これらの恒星の潮汐破壊現象は、天文学者が銀河の中心にある超大質量ブラックホールの存在を理解し、その特性を測定する数少ない方法の 1 つです。しかし、これらの現象を数値的にシミュレートするには計算コストが極めて高いため、天文学者は潮汐破壊の背後にある複雑なプロセスをまだ理解していません」と指摘しました。

この新たな発見は、天文学者が他の潮汐破壊現象においてX線などの高エネルギー放射線を観測しなかった理由を説明するかもしれない。この放射線は、恒星の物質がブラックホールの周りの薄い円盤に引き込まれ、そこで加熱されて高エネルギーの放射線を生成すること、また物質がブラックホールに入るときにも発生します。しかし、この放射線は強力なジェットによって噴出されるガスの雲によって隠されています。

恒星がブラックホールに極めて近い軌道に迷い込むと、潮汐破壊現象が発生し、シミュレーションでは、破壊された恒星の物質がこの宇宙の巨大な物体の周りを回り、最終的にブラックホールの表面に落ちることが示されています。 (画像提供: NRAO/AUI/NSF)

「この観測は、ある種の理論的解決法を否定し、ブラックホール周辺のガスの挙動についてより強力な制約を与える」と、カリフォルニア大学バークレー校の天文学の大学院生で論文の主執筆者でもあるキショア・パトラ氏は声明で述べた。 「これらの出来事から放出された他の風の証拠は確認されているが、この偏光研究はその証拠を確固たるものにしたと思う。なぜなら、十分な風がなければ、球対称の形状を得るのは不可能だからだ。」

「ここで興味深いのは、ブラックホールに向かって渦巻く恒星物質の大部分がブラックホールに落ち込むのではなく、ブラックホールから放出されることだ」とパトラ氏は付け加えた。

この結果は、星がブラックホールによって破壊されたときに高度に非対称な降着円盤が形成されるという、多くの天文学者が提唱する理論と矛盾しているように思われる。このような降着円盤は高度に偏光した光を発するが、これは今回の潮汐破壊現象では観測されなかった。

2019年11月に行われた2回目の観測では、この現象からの光はわずかに偏光しているだけであることが示されました。研究チームは、この発見は、放出されたガス雲がブラックホールの周囲の非対称なガス構造を明らかにするほど薄いことを示唆していると述べた。

「降着円盤自体は、X線領域の光のほとんどを放射できるほど高温だが、その光はこの雲を通過しなければならず、雲から脱出する前に何度も散乱、吸収、再放射を繰り返す必要がある」とパトラ氏は語った。 「これらの各段階で、光は光子エネルギーの一部を失い、最終的には紫外線と可視スペクトルのエネルギーレベルまで低下します。最後の散乱によって光子の偏光状態が決まります。したがって、偏光を測定することで、最後の散乱が発生した表面の形状を推測できます。」

ペトラ氏は、研究チームがこの恒星について観測した「死の床にあるシナリオ」は、ブラックホールの両極から物質がほぼ光速で放出される「特別な」潮汐破壊現象には当てはまらないかもしれないと付け加えた。この疑問に答えるには、潮汐破壊現象のさらなる分極研究が必要である。

「偏光研究は非常に困難であり、この技術に本当に熟練した人は世界中に限らている」とペトラ氏は言う。 「したがって、これは潮汐破壊事象の未知の領域です。」

両観測は、カリフォルニア州サンノゼ近郊のリック天文台の3メートル（10フィート）シェーン望遠鏡を使用して行われた。この望遠鏡には、スペクトル全体にわたって光の偏光状態を判定できる装置であるカスト分光計が搭載されています。

チームの論文は、王立天文学会月報9月号に掲載される予定。

著者:ロバート・リー

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