最も重い恒星質量ブラックホールを発見

位置天文衛星「ガイア」の観測データから、天の川銀河で史上最も重い恒星質量ブラックホールが見つかった。質量は太陽の約33倍だ。

【2024年4月22日ヨーロッパ南天天文台】

ブラックホールはその質量で大きく3種類に分けられる。重い恒星が一生を終えた後に残される「恒星質量ブラックホール」（約10太陽質量）と、銀河の中心部に存在する「超大質量ブラックホール」（数百万～数億太陽質量）、そしてこれらの中間の質量を持つ「中間質量ブラックホール」（数千～1万太陽質量）だ。

これまでに知られている天の川銀河内の恒星質量ブラックホールで最も重いのは、有名な「はくちょう座X-1」で、その質量は太陽の約21倍である。このたび、位置天文衛星「ガイア」の観測データから、はくちょう座X-1よりも重い恒星質量ブラックホールが新たに見つかった。

発見されたブラックホールは「Gaia BH3」と呼ばれ、その質量は32.70±0.82太陽質量と推定されている。わし座の方向約2000光年の距離にあり、既知の恒星質量ブラックホールの中で地球に2番目に近い天体でもある。

今回見つかったブラックホール「Gaia BH3」（右）と、他の恒星質量ブラックホールとの比較イラスト。中央は「はくちょう座X-1」（約21太陽質量）で、左は今回同時に発見された「Gaia BH1」（約10太陽質量）。ブラックホールの半径は質量に比例するので、もし各ブラックホールが見えれば、このような大きさになる。画像クリックで表示拡大（提供：ESO/M. Kornmesser）

Gaia BH3は、「ガイア」の観測データを集約した新たなカタログ「Gaia DR4（第4期データリリース）」の編纂作業でデータをチェックしていた際に見つかった。わし座の「Gaia DR3 4318465066420528000」（別名 LS II +14 13 / 2MASS J19391872+1455542）という11.2等星の固有運動に規則的な「ふらつき」がみられ、ブラックホールが伴星になっている連星系であることがわかったのだ。

「これまで検出されずに地球の近傍に隠れていた重いブラックホールが見つかるとは、誰も予想していませんでした。こんな発見は研究人生で一度あるかどうかです」（仏・国立科学研究センター Pasquale Panuzzoさん）。

これまでに天の川銀河の外では、今回の天体と同程度の「重い恒星質量ブラックホール」が見つかっている。こうした天体の観測から、「重い恒星質量ブラックホール」は重元素が非常に少ない「金属欠乏星」の超新星爆発で作られると考えられてきた。恒星は晩年に巨星へと進化すると外層の物質を大量に放出するが、金属欠乏星はあまり質量を失うことがなく、ブラックホールの材料となる物質が多く残るからだ。ただし、金属欠乏星と重い恒星質量ブラックホールとをつなぐ直接の証拠は見つかっていなかった。

一般に連星系では、2個の恒星が似た化学組成を持っていることが多い。つまり、Gaia BH3の相手の星の化学組成を調べれば、このブラックホールの親星の化学組成についても手がかりが得られる可能性がある。そこでガイア・コラボレーションチームでは、ヨーロッパ南天天文台（ESO）のVLT望遠鏡で過去に行われたこの星の分光データを解析するとともに、スペイン・カナリア諸島のロケ・デ・ロス・ムチャーチョス天文台や仏・オートプロバンス天文台でこの星を観測し、Gaia BH3の質量を精密に見積もるとともに、この星の性質も詳しく調べた。

ブラックホール「Gaia BH3」（中央やや下の赤い軌道）と、連星系を作っている相手の恒星（水色の軌道）の想像図。Gaia BH3の質量は約33太陽質量、相手の星は約0.76太陽質量で、11.6年周期で互いに公転している（提供：ESO/L. Calçada/Space Engine (spaceengine.org)）

観測の結果、Gaia BH3の相手の星は約0.76太陽質量の金属欠乏星で、Gaia BH3との共通重心の周りを約11.6年周期で公転していることがわかった。「Gaia BH3」の親星も金属欠乏星だった可能性が高く、これまでの理論を裏付ける結果である。

Gaia DR4カタログは2025年後半にリリースされる予定だが、他の研究者が今回のブラックホールについていち早く研究できるように、ガイア・コラボレーションチームでは例外的にDR4の予備的データに基づいて発見の論文をまとめ、発表した。今後さらにこの連星系の観測が進めば、Gaia BH3の歴史や性質についても詳しくわかるだろう。