要約:
天の川銀河の中心には、太陽の約 400 万倍の質量を持つ超大質量ブラック ホール、射手座 A* が隠されています。地球から約 26,000 光年離れており、現在の全体的な活動は比較的静かですが、エネルギーを放出する驚くべき方法を持っている可能性があります。それは、自身の回転エネルギーを犠牲にすることで、周囲の粒子を非常に高いエネルギーに加速し、天の川銀河の一部の宇宙線に電力を供給します。
2026 年 10 月 17 日、SciTechDaily は、このメカニズムに関する最新の理論的研究を報告しました。研究者らは、いて座A*が「磁気ペンローズ過程」と呼ばれる機構を通じてブラックホールの回転エネルギーを陽子に伝達し、これらの粒子が数ペタ電子ボルト（PeV）のエネルギーレベルに達することを可能にしているのではないかと提案している。研究結果は、射手座 A* が天の川銀河にある天然の超高エネルギー粒子加速器である可能性があるという仮説をさらに裏付けています。
この研究は、「銀河電子ボルタ粒子加速器としての射手座 A*: 磁気ペンローズ過程のマルチメッセンジャー特性」というタイトルのプレプリントとして 2026 年 9 月 2 日に発表されました。研究チームは理論モデリングを通じて、ブラックホール近くの粒子がどのようにして非常に高いエネルギーを獲得するのか、そしてこの過程が天体観測によって識別できるどのような信号を残すのかを分析した。現時点では、これはまだ観測によって検証する必要がある理論的な説明であり、天の川銀河の中心にあるブラックホールがこのように宇宙線を加速していることを科学者が確認したという意味ではありません。
宇宙線は、陽子、原子核、少数の電子を含む、宇宙を超高速で移動する高エネルギー粒子です。そのエネルギー範囲は非常に広く、一部の宇宙線は人間が既存の粒子加速器で達成できるエネルギーをはるかに超えています。科学者たちは、これらの粒子がどこから来たのか、そして自然がどのようなメカニズムを使って粒子をそのような驚くべきエネルギーに加速させるのかを解明しようと長い間試みてきました。
地球上では、人類は大型粒子加速器を使用して、電場を通じて荷電粒子のエネルギーを徐々に増加させています。しかし宇宙では、超新星残骸、パルサー風、ブラックホールの周囲の極限環境はすべて天然の粒子加速器になる可能性があります。天の川銀河の中心には、超大質量ブラックホール、大量のガス、強力な磁場、複雑な高エネルギー放射線環境が含まれているため、特に懸念されています。
研究者らは、射手座 A* 付近の陽子は数ペタ電子ボルトのエネルギーまで加速される可能性があると推定しています。 1 ペタ電子ボルトは 1,000 兆電子ボルト、つまり 10¹5 電子ボルトに相当します。このエネルギーレベルは、大型ハドロン衝突型加速器での陽子衝突によって到達する単一陽子のエネルギーをはるかに超えています。したがって、関連するメカニズムが実際に存在する場合、いて座 A* は天の川銀河における高エネルギー粒子の重要な供給源の 1 つになる可能性があります。
陽子を電子ボルトのエネルギーレベルまで加速できるこのような天体は「PeVatron」と呼ばれ、電子ボルトレベルの粒子加速器です。天文学者らは天の川銀河の中心で高エネルギーのガンマ線を観測しているが、これらの放射線がブラックホール近くの粒子の加速から来るのか、それとも他の天体とより大規模な宇宙線との相互作用から来るのかはまだ議論の余地がある。
通常、ブラック ホールの周囲の明るい放射は主に、ブラック ホールが落下する前にブラック ホールに落ちた物質から発生します。ガスはブラックホールの重力によって集まり、圧縮され、加熱されて高温の降着流または降着円盤を形成し、物質は最終的に事象の地平面を横切る前に大量のエネルギーを放出します。
しかし、ブラックホール自体はエネルギーを飲み込むだけではありません。回転するブラックホールの場合、その回転によって運ばれるエネルギーも、特定の条件下で取り出すことができます。今回研究者が注目しているのは、ブラックホールの回転エネルギーを直接利用するこの仕組みだ。
この理論は、1969 年に物理学者のロジャー ペンローズによって提案されたペンローズ過程にまで遡ることができます。一般相対性理論によれば、回転するブラック ホールの周りには「エルゴスフィア」と呼ばれる領域があります。ここで、ブラック ホールの回転は周囲の時空を非常に強く引きずるため、物体は遠くの観測者に対して静止したままではいられず、ブラック ホールの回転の方向に移動しなければなりません。
特定の条件下で、粒子がエネルギー層に入り、適切な分裂プロセスを受けると、その一部は無限大に対して定義された負のエネルギーを持ってブラック ホールに落ち、他の部分は元の粒子よりも多くのエネルギーを持って脱出する可能性があります。脱出する粒子によって得られる追加のエネルギーは、ブラック ホール自体の回転エネルギーから得られます。
これを、高速回転する機械から機械エネルギーを抽出することと考えてください。脱出する粒子は追加のエネルギーを獲得しますが、それに応じてブラック ホールの回転エネルギーは減少します。ここでいう「自身のエネルギーを消費する」というのは、ブラックホールが燃料のように燃えるという意味ではなく、その回転エネルギーが外部の粒子に伝達されることを意味する。
研究者らは、このプロセスにおける磁場の役割をさらに検討しました。磁気ペンローズ過程は、ブラックホールの周囲の磁場を利用して荷電粒子の動きとエネルギー分布を変化させ、ブラックホールの回転エネルギーを陽子などの荷電粒子により効果的に伝達できるようにする。
この研究で提案されたモデルでは、重要な関係は、ブラック ホールを囲む高温ガスの核反応から始まります。核反応によっては中性子が生成される場合があります。これらの中性子は、ブラック ホールのエネルギー層に入った後、放射性崩壊を起こし、陽子、電子、反ニュートリノを生成する可能性があります。
中性子自体は帯電していないため、陽子のような磁場のローレンツ力の影響を直接受けません。しかし、中性子崩壊後に生成される陽子は電荷を持っており、周囲の磁場と相互作用する可能性があります。研究者らは、適切な条件下では、これらの陽子はブラックホールの回転からエネルギーを得て、その後より広い星間空間に逃げ出す可能性があると考えている。
このメカニズムでは、ブラック ホールが非常に活発である必要はありません。いて座 A* の現在の降着活動は比較的弱いですが、依然として巨大な質量と潜在的にかなりの回転エネルギーを持っています。周囲の環境が適切な磁場、粒子生成条件、形状を備えている限り、エネルギー抽出プロセスは可能です。
しかし、このモデルが天の川銀河の実際の中心に適用できるかどうかは、ブラック ホールの周囲の磁場の強さ、粒子の生成速度、ブラック ホールの回転状態、高エネルギー粒子が脱出する際に被るさまざまな損失など、まだ完全に決定されていない多くのパラメーターに依存します。
高エネルギーの陽子がブラック ホールの近くから脱出した場合、外側に伝播するときに天の川の中心にある高密度のガスと衝突し、高エネルギーのガンマ線とニュートリノが生成される可能性があります。これらの二次粒子は、科学者に理論を検証する重要な方法を提供します。
ガンマ線は、帯電していない非常に高エネルギーの電磁放射であるため、星間空間を通過するときに、宇宙線の荷電粒子のように磁場によって急激に方向転換されることはありません。それらの伝播方向は、天文学者が放射線をその源まで追跡するのにしばしば役立ちます。対照的に、宇宙線に含まれる陽子は星間磁場の影響を受け、軌道が大きく曲がることがあるため、地球に到達した方向から直接、最初に加速した場所を特定することが困難です。
研究チームは、磁気ペンローズプロセスによって生成される可能性のあるガンマ線エネルギースペクトルを計算し、モデルの結果を既存の観測結果と比較しました。研究者らは、このメカニズムによって生成される放射線が、高エネルギー立体望遠鏡システム H.E.S.S. によって検出される信号を含む、高エネルギー ガンマ線観測における信号の一部に寄与している可能性があると考えています。高高度水上チェレンコフガンマ線観測所HAWC。
さまざまな理論モデルによって予測されるエネルギー スペクトルの特徴をより正確に測定できれば、研究者はブラック ホールの回転エネルギー抽出メカニズムが実際に天の川銀河の中心で機能しているかどうかを判断する機会が得られます。
将来の観測機器は、この理論を検証するための鍵となるかもしれません。研究チームは、計画中の南半球広視野ガンマ線観測所（SWGO）はそのモデルによって予測される関連信号を検出することが期待されており、チェレンコフ望遠鏡アレイ観測所（CTAO）もいくつかの理論的シナリオをテストする可能性があると指摘した。
SWGO は、大面積の検出アレイを使用して高エネルギーのガンマ線を継続的に監視することを計画しています。これは、天の川の中心などの重要な空の領域を観測するのに特に適しています。広視野計器は、特定の目標に限られた時間しか向けることができない望遠鏡よりも、空の高エネルギー放射線の変化を長期間監視できるため、研究者が進行中の粒子加速プロセスを研究するのに役立ちます。
しかし、高エネルギーのガンマ線の発見だけでは、磁気ペンローズ過程の存在を証明するには不十分です。天の川銀河の中心の環境は非常に複雑で、超大質量ブラックホールだけでなく、多数の星、高密度のガス雲、その他の潜在的な高エネルギー粒子加速源、そして広範囲の拡散放射線も存在します。異なるメカニズムが同様の観測信号を生成する可能性があります。
したがって、科学者はガンマ線と他の種類の観測、特にニュートリノ信号を組み合わせる必要があります。高エネルギー陽子がガスと衝突すると、ガンマ線が生成されるだけでなく、ニュートリノも生成される可能性があります。ニュートリノは物質との相互作用が非常に弱く、高密度の天体環境から逃れることができるため、研究者に粒子の加速プロセスに関する別の手がかりを提供します。
しかし現在、天の川銀河の中心でのニュートリノ観測では、関連するメカニズムを解明するのに十分な結果は得られていません。 2026年9月、アイスキューブニュートリノ天文台がHAWCと共同で発表した解析結果では、天の川銀河の中心に重大なニュートリノ信号が存在しないことが判明し、関連する放射線の強度に新たな制限が設定された。研究者らは、将来的には、IceCube-Gen2、KM3NeT、P-ONEなどのより感度の高いニュートリノ観測施設が、天の川銀河の中心にある高エネルギーのガンマ線が主に陽子とガスの相互作用から来ているかどうかを科学者がさらに判断するのに役立つ可能性があると指摘した。
この背景は、ブラック ホールのエネルギー抽出メカニズムには明確な理論的根拠があるものの、それを実際の観測と結び付けるには、より豊富で正確なデータが依然として必要であることも示しています。研究者は、他の考えられる高エネルギー放射線源を除外し、理論によって予測されたスペクトルの特徴が実際に存在するかどうかを検証する必要があります。
この研究の重要性は、天の川銀河の中心にある高エネルギー宇宙線の発生源についての説明が得られ、さらに検証できることです。伝統的に、科学者は通常、超新星爆発、衝撃波、磁場がどのように宇宙線を加速するかに焦点を当ててきました。一方、磁気ペンローズ過程はブラックホール自体の回転エネルギーに注目しており、たとえブラックホールが比較的穏やかな状態にあるとしても、特別な物理的メカニズムを通じてエネルギーを外部の粒子に伝達する可能性があることを示しています。
今後の観測でこのプロセスが実際に起こっていることが確認されれば、いて座 A* は天の川銀河の中心にある巨大な重力源となるだけでなく、天の川銀河の高エネルギー粒子環境に影響を与える重要な動力源となる可能性があります。これは、科学者が超大質量ブラックホールが周囲のガス、放射線環境、エネルギー放出を通じて銀河の中心領域全体の進化にどのような影響を与えるかをさらに理解するのにも役立ちます。
現時点では、研究者が提案したものはまだ理論モデルであり、直接確認されたブラック ホール エネルギー抽出プロセスではありません。 SWGO、CTAO、新世代ニュートリノ観測装置による今後の観測結果は、これらの予測が現実の宇宙の性能と一致するかどうかを判断するのに役立ちます。人間にとって、天の川の中心にあるブラックホールにはまだ多くの謎が隠されており、宇宙線にはそのエネルギーがどのように機能するかについての重要な手がかりが含まれている可能性があります。
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