天の川銀河中心を探る新たな高速プローブ
天文学者たちは、天の川銀河中心の超大質量ブラックホールであるいて座A*のごく近くを公転する、新たに認識された恒星を特定した。この星はS301と呼ばれ、Nature掲載予定の研究に基づくUniverse Todayの報道によれば、これまで見つかったS星の中で最も速く動く星であり、ブラックホールに最も近い既知の同種天体でもある。この発見により、研究者は極限条件下で重力と時空を調べるための、潜在的に非常に強力な新手段を得た。
S星は科学的に重要な集団である。というのも、その軌道は、われわれの銀河の中心に超大質量ブラックホールが存在することを示す最も強力な証拠のいくつかを提供してきたからだ。これらの星は太陽質量の約400万倍のコンパクト天体の周囲を駆け回り、その軌道は、観測可能な中でも最も強烈な環境の一つにおける重力の振る舞いを明らかにするのに十分な精度で追跡できる。S301により、天文学者はこの検証をさらに前へ進められる星を手にした。
S301を際立たせているのは、速度と近さの組み合わせだ。Universe Todayによれば、この星は毎秒約2万5000キロメートルに達し、わずか8.7年で1周の軌道を終える。また、ブラックホールには約12天文単位まで近づく。宇宙尺度では驚くほど近い距離だ。これは地球と太陽の距離の約12倍にすぎず、太陽の何百万倍もの質量を持つブラックホールの周囲を回る天体としては、非常にタイトな距離である。
なぜ「近さ」は「見栄え」より重要なのか
S301の価値は、単に速いことではない。軌道が非常に狭いため、ブラックホールの自転が周囲の時空に及ぼす影響を含む相対論的効果に特に敏感である。通常の状況では、相対論のより微妙な予測は、天文系に存在する雑多な重力相互作用から切り分けるのが難しい。しかし、いて座A*の近傍では条件が非常に厳しいため、十分に精密な観測があればそれらの効果を測定できるはずだ。
そのため研究者たちは、S301を単なるS星の一員以上の存在として強調している。Universe Todayは、研究共同著者のフェリックス・マンがこの軌道を前例のないほど狭いものだと述べたと伝え、ノーベル賞受賞者のラインハルト・ゲンツェルが、この星が銀河中心ブラックホール周辺の時空の根本的性質を観測する新しい窓を開くと語ったと引用している。実務上の重要点は、S301がいて座A*の自転を制約するのに役立つかもしれないことだ。これは質量よりはるかに測定が難しい属性である。
ブラックホールの自転が重要なのは、その天体の歴史の一部を記録しているからだ。ブラックホールの回転は、その形成過程、どのような物質を取り込んできたか、そして時間とともに周囲環境とどう相互作用してきたかを反映しうる。したがって、いて座A*の自転をより正確に見積もれれば、相対論の検証だけでなく、天の川銀河中心エンジンの進化の物語にも役立つ。
この発見の技術的な重要性
銀河中心は、天文学において最も観測が難しい対象の一つだ。高密度のガスや塵、多数の近傍星による混雑のため、天体を分離し、その軌道を長期にわたって追跡するのは難しい。S星が科学の対象となったのは、強力な望遠鏡と特殊な装置を用いた高解像度の継続観測があってこそである。今回Universe Todayは、欧州南天天文台の超大型望遠鏡とGRAVITY装置による観測を挙げており、この装置はいて座A*のごく近傍での運動を極めて高い精度で分解できる。
この精度が不可欠なのは、天文学者が星の位置だけでなく、その軌道が時間とともにどう変化するかを見ているからだ。相対論的効果は、軌道の向きや時刻のごく小さなずれとして現れることがあり、星がブラックホールにより近くを通るほど、その効果はより顕著になる。軌道周期が短いことも有利だ。S301は9年未満でいて座A*を一周するため、研究者は何十年も待って一周を終えるのではなく、実際的な研究時間内に、繰り返し比較可能な観測を集められる。
この短周期、高速、近接という組み合わせにより、S301は異例に効率のよい自然のプローブとなる。一度きりの宇宙的な配置に頼るのではなく、天文学者は同じ星が軌道のさまざまな部分を通過して戻ってくる様子を継続的に観測し、データの改善とともにモデルを洗練できる。
最も検証しにくい場所で重力を試す一歩
一般相対性理論は、これまでに与えられた主要な実験検証をすべて通過してきた。水星軌道の近日点移動から重力波の検出まで、その実績は広い。それでも物理学者は、理論を可能な限り極端な領域で試したいと考えている。わずかな逸脱でも、より深い物理を示す手がかりになりうるからだ。超大質量ブラックホールのすぐ周囲は、そうした領域の一つである。
S301だけで未解決の問いがすべて解けるわけではない。元資料は、相対論的シグナルがすでに完全に測定されたとも、この星だけでブラックホールの自転が特定されたとも述べていない。しかし、この発見はその研究に向けた新しく、非常に有望な対象を提供している。軌道は、曲がった時空についての微小な予測が観測可能になる、まさにそのような環境に星を置いているように見える。
ここには、より広い科学の進み方も表れている。天文学はしばしば、単一の概念的突破ではなく、観測装置、忍耐、より良いプローブによって進歩する。S301が重要に見えるのは、まさにそのプローブを改善するからだ。いて座A*周辺の重力場を追跡する新たな精密トレーサーを研究者に与え、事象の地平線近傍での回転効果を調べるうえで、これまでで最良のものかもしれない。
追跡観測がこの期待を裏づければ、S301は現代の銀河天文学で最も価値の高い星の一つになるかもしれない。いて座A*そのものを変えるからではなく、ブラックホールが周囲の時空をどう形作るかについて、より正確な問いを立てられるようにするからだ。その意味で、この発見は、何十年も研究してきた銀河であっても、最も示唆に富む天体は、より近く、より注意深い観測からなお現れうることを思い出させる。
この記事はUniverse Todayの報道に基づいています。原文を読む。
Originally published on universetoday.com