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巨大ブラックホール、一般相対論を証明 天の川銀河で

日経ナショナル ジオグラフィック社

2019/8/10

ナショナルジオグラフィック日本版

S0-2という恒星は、銀河系の中心にある超大質量ブラックホール「いて座A*」に非常に近いところを通る。この図では、ブラックホールは時空にあいた底なしの穴として描かれている(ILLUSTRATION BY NICOLE R. FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION)

私たちの銀河系(天の川銀河)の中心には巨大なブラックホールがある。科学者らはこのほど、その近くを回る恒星を観測することで、恒星から出た光の波長が、ブラックホールの強力な重力場によって引き伸ばされたことを確認した。アインシュタインの一般相対性理論によると、光は非常に強い重力場の中を通過するときにエネルギーを失う。今回の測定は、その予想を検証する最良の方法だ。

「超大質量ブラックホールの近くで重力がどのように働くかを、今回のような手法で直接検証するのは初めてです」と米カリフォルニア大学ロサンゼルス校の天文学者アンドレア・ゲズ氏は説明する。同氏のチームによる研究成果は2019年7月25日付けで学術誌『サイエンス』電子版に発表された。「重力は、宇宙を理解するうえでも、私たちの日常生活においても、重要です」

天文学者たちは、極端に強い重力環境で一般相対性理論が成り立たなくなる証拠を発見したいと願っている。そうすれば、私たちの宇宙に残るいくつかの大きな謎を解決できるような、新しい物理学の可能性が見えてくるからだ。

とはいえ今回は、アインシュタインの正しさがまたもや示された。

■ブラックホールを16年で1周する恒星

一般相対性理論によれば、私たちが重力として理解しているものは、物体の質量が時空を曲げた結果として生じるという。また、重力は光にも影響を及ぼし、非常に重い物体は、その近くを通る光を曲げる。この現象は「重力レンズ効果」と呼ばれ、1919年の皆既日食のときに観測されたことで知られる。それ以降、一般相対性理論は科学の大黒柱となった。

だからこそ科学者たちは、銀河系の中心にある太陽の400万倍の質量をもつ怪物級のブラックホール「いて座A*」と、そのまわりを公転する恒星の集団に強い関心を寄せているのだ。いて座A*は地球から約2万6000光年離れたところにあり、ガスとちりのカーテンの向こうに隠れている。

今回の研究の主役であるS0-2という恒星は、いて座A*のまわりの楕円軌道をわずか16年の周期で公転している。いて座A*に最も接近するときには、時速2500万kmという、光速の3%に迫る猛スピードで宇宙空間を駆け抜けることになる。

「こうした天体は、人間の一生ほどの短い時間で変化が観察できます」とゲズ氏は言う。「私たちが目にする星座の配置は有史以来変わっていません。けれども重力場が非常に強い銀河系の中心部では、恒星はどんどん動いているのです」

S0-2は楕円軌道上を運動するため、超大質量ブラックホールに近づくときと遠ざかるときがある。ゲズ氏らは、S0-2が2018年5月にいて座A*に最接近する様子を観測したいと考えた。研究チームはチリとハワイのマウナケア火山の山頂にある望遠鏡を使って、同年3月から9月まで、この恒星の運動を詳しく調べた。

「恒星の軌道の形を詳細に知っておく必要があるのです」とゲズ氏は言う。「恒星がブラックホールに最接近して、最も強い重力場を経験しているときが、アインシュタインの一般相対性理論を検証できるときなのです」

これらの観測データを1995年から収集されてきた大量のデータに追加することで、S0-2の軌道全体を3次元で計算することが可能になった。

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