超巨大ブラックホールとは何ですか？

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1971年、イギリスの天文学者であるドナルドリンデンベルとマーティンリースは、超大質量ブラックホール（SMBH）が天の川銀河の中心にあると仮定しました。これは、電波銀河に関する彼らの研究に基づいており、これらのオブジェクトによって放射された大量のエネルギーは、中心にあるブラックホールに付着したガスと物質によるものであることが示されました。

1974年までに、このSMBHの最初の証拠は、天文学者が銀河の中心から来る大規模な電波源を検出したときに発見されました。彼らが射手座A *と名付けたこの地域は、私たちの太陽の1000万倍以上の大きさです。その発見以来、天文学者たちは観測可能な宇宙のほとんどの渦巻銀河と楕円銀河の中心に超巨大ブラックホールがあるという証拠を発見しました。

説明：

超大質量ブラックホール（SMBH）は、多くの点で低質量ブラックホールとは異なります。まず、SMBHは小さなブラックホールよりも質量がはるかに大きいため、平均密度も低くなります。これは、すべての球体オブジェクトでは、体積は半径の3乗に正比例するのに対し、ブラックホールの最小密度は質量の2乗に反比例するためです。

さらに、イベント地平線付近の潮汐力は、大規模なブラックホールでは著しく弱くなります。密度と同様に、事象の地平線での物体に対する潮汐力は、質量の2乗に反比例します。そのため、オブジェクトは、ブラックホールに非常に深く入るまで、大きな潮汐力を受けません。

形成：

SMBHがどのように形成されるかは、依然として多くの学術的議論の主題です。天体物理学者は、それらがブラックホールの合併と物質の降着の結果であると主に信じています。しかし、これらのブラックホールの「種」（つまり、前駆細胞）がどこから来たかは、不一致が発生する場所です。現在、最も明白な仮説は、それらが銀河中心の物質の降着によって形成された、爆発したいくつかの巨大な星の残骸であるというものです。

別の理論は、私たちの銀河で最初の星が形成される前に、大きなガス雲が「カウシ星」に崩壊し、放射状の摂動に対して不安定になったというものです。その後、超新星爆発を必要とせずに、約20個の太陽質量のブラックホールに変わりました。時間の経過とともに、それは質量を急速に増加させ、中間的で超大質量のブラックホールになります。

さらに別のモデルでは、密度の高い星団は、負の熱容量のために相対論的な速度で発生したコアの速度分散の結果として、コアの崩壊を経験しました。最後に、原始ブラックホールはビッグバン直後の外部圧力によって直接生成された可能性があるという理論があります。これらの理論や他の理論は、当面は理論的なままです。

射手座A *：

証拠の複数の行は、私たちの銀河の中心にSMBHが存在することを示しています。射手座A *の直接観測は行われていませんが、その存在は周囲の物体への影響から推測されています。これらの中で最も注目に値するのは、射手座A *電波源の周りを楕円軌道を流れる星S2です。

S2の軌道周期は15.2年で、中心物体の中心から180億km（11億1,800万mi、120 AU）の最小距離に到達します。他の原因を識別できないため、これを説明できるのは超巨大オブジェクトだけです。そして、S2の軌道パラメータから、天文学者は物体のサイズと質量の推定値を生成することができました。

たとえば、S2sの動きにより、天文学者は軌道の中心にある物体の太陽質量が410万（8.2×10³³メートルトン、9.04×10³³米トン）以上でなければならない、と計算しました。さらに、このオブジェクトの半径は120 AU未満にする必要があります。そうしないと、S2がオブジェクトと衝突します。

しかし、これまでの最高の証拠は、2008年にマックスプランク地球物理学研究所およびUCLA銀河センターグループによって提供されました。 ESOの超大型望遠鏡とケック望遠鏡が16年間にわたって取得したデータを使用して、銀河の中心（地球から27,000光年）までの距離を正確に推定できるだけでなく、星の軌道も追跡できました。非常に正確にそこにあります。

マックスプランク地球物理学研究所のチームリーダーであるラインハルトゲンゼルは、次のように述べています。

“間違いなく、私たちの長期研究の最も壮観な側面は、超大質量ブラックホールが実際に存在するという最も優れた経験的証拠であると現在考えられているものを提供したことです。銀河中心の恒星の軌道は、400万の太陽質量の中心質量集中は、合理的な疑いを超えてブラックホールでなければならないことを示しています。」

射手座Aの存在の別の兆候は、NASAが私たちの銀河の中心から来る記録的なX線フレアを報告した2015年1月5日にありました。チャンドラX線天文台からの読み取りに基づいて、彼らは通常より400倍明るい放出を報告しました。これらは、ブラックホールに小惑星が落下した結果、またはブラックホールに流れ込むガス内に磁力線が絡まった結果であると考えられていました。

他の銀河：

天文学者は、ローカルグループ内の他の銀河の中心にSMBHの証拠を発見しました。これらには、近くのアンドロメダ銀河（M31）と楕円銀河M32、および遠方の渦巻銀河NGC 4395が含まれます。これは、これらの銀河の中心近くの星とガス雲が観測可能な速度の増加を示すという事実に基づいています。

もう1つの兆候はアクティブ銀河核（AGN）であり、ラジオ、マイクロ波、赤外線、光学、紫外線（UV）、X線、およびガンマ線の波長帯の大量のバーストが、冷たい物質（ガスとダスト）の領域から定期的に検出されます）より大きな銀河の中心。放射はブラックホール自体からのものではありませんが、そのような巨大な物体が周囲の物質に及ぼす影響が原因であると考えられています。

つまり、ガスとダストは銀河の中心に降着円盤を形成し、超巨大ブラックホールを周回し、徐々に物質を供給します。この領域の信じられないほどの重力により、ディスクの材料が数百万ケルビンに達するまで圧縮され、明るい放射と電磁エネルギーが生成されます。熱物質のコロナも降着円盤の上に形成され、X線エネルギーまで光子を散乱させることができます。

SMBH回転磁場と降着円盤の間の相互作用は、ブラックホールの上下の物質を相対論的な速度（つまり、光速のかなりの割合）で発射する強力な磁気ジェットも作成します。これらのジェットは数十万光年に及ぶ可能性があり、観測された放射線の2番目の潜在的な発生源です。

アンドロメダ銀河が数十億年で私たちの銀河と融合すると、その中心にある超大質量ブラックホールが私たちのものと融合し、はるかに大規模で強力なブラックホールが生成されます。この相互作用により、結合した銀河（ローグスターを生成する）からいくつかの星が蹴り出され、銀河の核（現在は非アクティブ）が再びアクティブになります。

ブラックホールの研究はまだ始まったばかりです。そして、過去数十年だけで学んだことは、刺激的で畏敬の念を起こさせるものでした。それらが低質量であろうと超質量であろうと、ブラックホールは私たちの宇宙の不可欠な部分であり、その進化において積極的な役割を果たしています。

宇宙をより深く見つめると、誰が私たちが何を見つけるかを知っていますか？おそらく、いつの日か、私たちのテクノロジーと純粋な大胆さは、私たちがイベントの地平線のベールの下でピークに達することができるように存在するでしょう。あなたはそれが起こっていることを想像できますか？

ここスペースマガジンでは、ブラックホールに関する興味深い記事を数多く書いています。合理的な疑いを超えて：超巨大ブラックホールが銀河の中心に住んでいる、X線フレアエコーは超巨大ブラックホールトーラスを明らかにします。その温度を取りなさい、そして超大質量ブラックホールが衝突するとき何が起こるか？

天文学のキャストは、主題に関するいくつかの関連するエピソードも。エピソード18：大小のブラックホール、エピソード98：クエーサー。

さらに探る：天文学キャストのエピソードクエーサー、ブラックホールの大小。

出典：