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ついに解明! ブラックホール成長の謎

NHK教育 サイエンスZERO  平成28年12月 4日 放送
専門家ゲスト 岡 朋治 (慶應義塾大学理工学部教授)
 
 強力な重力を持ち周りの天体を飲み込む天体、ブラックホールその姿を直接見ることができないなど多くの謎を秘めている。中でも最大の謎それはブラックホールどとうやって成長するのか。実はブラックホールは太陽の質量の10数倍にしかならないのは理論上わかっている。謎を解く鍵は、今年世界中を驚かせた重力波の直接観測がきっかけとなった。
 ブラックホールが合体したりして成長し成長するプロセスがついに明らかになった。さらにガスを吸い込んで大きく成長させるメカニズムがあることも分かってきた驚きの姿が見えてきた。
 謎の天体ブラックホールとは。
 ブラックホールの研究が始まったのはおよそ100年前。アインシュタインまで遡る。一般相対性理論で予言したのは重力があるとその重力によって空間が歪むということ。その後ドイツの物理学者カール・シュヴァルツシルトは重力で空間がどこまで歪むのかを計算した。するとある天体を一点に限りなく収縮させると空間は無限に歪み光さえも脱出できないことがわかった。これが理論が導き出したブラックホールです。では一体どんな時に限りなく収縮するのか。研究で明らかになったのは太陽の30倍ほどの質量を持った恒星が一生を終えるとき。恒星の中では水素などの軽い元素が次々に反応し重い元素になり最後には鉄になります。いわゆる核融合反応。この核融合によって生じる膨張しようとする力と重力で収縮しようとする力で形を保っている。星がその一生の終わりを迎え核融合の材料がなくなると膨張する力がなくなり星は急激な収縮を始める。その反動で星は超新星爆発を起こし表面が吹き飛ばされる。その後に残るのが限りなく小さく収縮したのがブラックホール。初めは科学者の多くはブラックホールを否定していたが、ほとんどの銀河の中心に超巨大ブラックホールがあると考えられている。その質量は太陽の100万倍以上。天の川銀河の中心にも超巨大ブラックホールが存在し射手座のA★に存在していることがわかっている。質量が太陽の400万倍。この中心にある超巨大ブラックホールが新たな謎を生み出している。太陽の30倍ほどの恒星がブラックホールになるときせいぜい10倍程度にしかならない。銀河の中心にあるのは太陽の100万倍以上。どうやって10数倍が100万倍以上まで成長したのかが謎である。銀河の中心にあるブラックホールが100万倍であるが、その1万倍以上のブラックホールがあることもわかっている。そしてブラックホールの成長の謎を解明する世紀の大発見があった。
 
 今年2月。アメリカのチームが世界を驚かす発表をした。重力波を観測した!。質量の大きな天体が移動するとその重力で空間が歪みその歪みが波となって宇宙を伝わる。これか重力波。存在が予言されて100年、アインシュタインの最後の宿題と呼ばれていた。去年9月。アメリカの重力波観望遠鏡LIGO。ルイジアナ州とワシントン州にある二つの装置で重力波を捉えられた。ブラックホールを研究する慶應義塾大学理工学部 岡 朋治 教授。ブラックホールは小さなブラックホールが合体し大きく成長してゆく理論が考えられていたが確認したことがなかった。そこで注目したのが重力波。重力波の発生源として超新星爆発、中性子星の合体、ブラックホールの合体の三つが考えられる。そして今回観測された波形はブラックホールの合体の理論波形同じだった。太陽質量の29倍と36倍のブラックホールが合体し62倍のブラックホールが誕生したことがわかった。さらに去年12月には二度目の観測に成功する。今度は14倍と8倍のブラックホールが衝突したものだった。ブラックホールが合体し大きくなってゆく様子が直接的に見えてきたのが非常に大きなこち。それが中質量になってさらに超巨大なブラックホールになってゆくプロセスが確認されてきた。ブラックホールの合体が重力波の観測で証明された。三ヶ月で2回のブラックホールの合体を観測しているのでブラックホールの合体は頻度が高いものなのかもしれない気がする。重力波の観測には合体だけではなく質量がポイントになる。今回36倍と29倍の質量が合体し62倍のブラックホールは研究者たちが長年追いかけてきたものだった。太陽の数倍から十数倍のブラックホールを恒星質量ブラックホールと呼んでいるが、一方見つかっていたのは銀河の中心にあるような100万倍以上、この間が空いていた。この間のブラックホールを中質量ブラックホールと言って観測されていない。今回見つかったブラックホールは中質量ブラックホールの手前で中質量ブラックホールが見える可能性が現れた。
 天の川銀河の中心付近で驚きの発見があった。いて座A★を調べていた岡氏、注目したのは宇宙空間を漂うガス。ガスの塊から出る電波を調べることでガスの状態がわかる。長野県の野辺山電波望遠鏡で中心付近のガスを調べた。いて座A★からわずか200光年離れた場所のガスに注目した。ガスの雲に縦の線が入り、何らかの重力源によって強い散乱を受けている可能性を示唆している。分析の結果強く振り回されていることが分かった。そこにブラックホールがあると仮定しシュミレーションしたところガスの動きが観測結果と一致した。この観測結果を説明するために必要な重力源の質量は10万太陽質量になります。そしてこの雲の中にある重力源は非常に小さなものでなければならないので、これは中質量ブラックホールではないかとかんがえている。天の川銀河の中心で中質量ブラックホールの存在が明らかになった。他にも中質量のブラックホールの候補を発見しておりいずれ中心のブラックホールと合体するものと思っている。現在わかっているブラックホールの位置を天の川銀河にプロットしシュミレートすると中心付近に中質量のブラックホールが集まっていることがわかる。計算では天の川銀河の中には1億から10億のブラックホールがあると推測される。なぜブラックホールが見つかっていないか、これまでブラックホールはX線による観測が主で、ブラックホールの近くに恒星があるとガスを吸い込みガスが吸い込まれる直前、摩擦熱で数千万度まで加熱されX線を放出する。このX線を観測していたが、これは特殊な例でほとんどのブラックホールは一人ぼっちでX線を放出することもなく見つけることはできない。岡氏はブラックホールの重力圏というのはかなり遠くまで及びますからガスの運動はかなり遠いところまで及ぶ。ブラックホールの遠くにある電波を観測した。もともとは電波を観測しそこに変なものがあることは認識していて最近になってブラックホールだったということが分かった。
 ブラックホールの巨大化するもう一つの要因として、ガスを吸い込むメカニズムに迫る。つねにガスを吸い込んでいると思われるブラックホールですが、高速で回転し遠心力が働いているためそう簡単にはブラックホールに落ち込まない。東京大学の泉琢磨研究員。注目したのは超新星爆発。銀河中心には星の材料となるガスが大量にたくさんの星が一気に誕生する。高い温度で激しく燃えるのですぐに燃やし尽くし超新星爆発をおこし最後を迎える。この爆発の衝撃がブラックホールにガスを送っているのではないかと考えた。泉氏は超新星爆発によってどうのようにブラックホールに吸い込まれてゆくかを計算をした。チリの電波望遠鏡アルマを使用しブラックホールが実際にどれだけガスを吸い込んでいるのかを調べた。その結果計算値と測定の結果が一致した。この計算の結果太陽質量の数千万倍、一億倍ぐらいのブラックホールを太らせることができる。銀河の中心で超新星爆発が起きてガスを吸い込ませブラックホールを成長させた。計算ではブラックホールが吸い込むガスの質量は一年間で太陽質量0.1倍、一億年たつと一千万倍ぐらいまで成長する。観測結果では両方のデータを示している。問題は中心核の巨大ブラックホールがどちらの過程が支配的で誕生したのかということ。吸収によってブラックホールが成長している銀河はまばゆく輝いており、活動銀河核と呼ばれいている。ほとんどの銀河の中心核は輝いていない。銀河の種類によって合体か吸収か、または時期によっても違うと考えられる。天の川銀河の中心もかつては明るかったと言われている。銀河の進化・形成を調べるということは銀河の進化を知るということ、銀河の進化に関する重要な情報が得られる。

 参考資料

 NHKサイエンスZERO

by a2k_turedure | 2016-12-12 21:34 | 徒然なるままにサイエンスZERO | Trackback | Comments(0)
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このブログは自分の気になったこと等を、徒然なるままにアップしていきますので、お暇な方は付き合ってやってください。


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