天文学者たちは、瀕死の星が超新星爆発に失敗し、ブラックホールに直接崩壊するという珍しい現象を目撃した。この注目すべき観測は、星のブラックホールへの変化に関するこれまでで最も完全な観測記録となり、天文学者がその過程の包括的な物理的画像を構築できるようになりました。
M31-2014-DS1と名付けられたこの「死んだ」星は、地球から約250万光年離れており、近くのアンドロメダ銀河に位置している。サイモンズ財団のフラティロン研究所の准研究員であるキーサライ・デ氏が率いる研究チームは、最近の観測データと10年以上のアーカイブデータを組み合わせて、この種の重い星のブラックホールへの変化の理論モデルを確認し、改善しました。サイエンス誌に掲載されたこの研究結果は広く注目を集めており、ブラックホールの謎に満ちた起源を垣間見ることができる貴重なものとなっている。
研究チームは、2005年から2023年までNASAのNEOWISEプロジェクトや他の地上および宇宙の望遠鏡で測定された星の測定結果を分析した。M31-2014-DS1の赤外線は2014年に明るくなり始め、2016年に急速に暗くなり、わずか1年で元の明るさを大幅に下回ったことが判明した。 2022年と2023年の観測では、この星は可視域と近赤外線域で基本的に消滅し、明るさが元の値の1万分の1に低下したことが示された。その残骸は現在、中間赤外線でのみ検出可能で、明るさは以前の10分の1しかありません。
「この星はかつてアンドロメダ銀河で最も明るい星の一つでしたが、今はどこにも見つかりません。もしペテルギウスが突然消えたら、誰もが狂ってしまうでしょう！同じことがアンドロメダ銀河のこの星にも起こりました」とデ氏は語った。これらの観測データと理論的予測を比較した後、研究者らは、この星の劇的な減光が元の全明るさのごく一部にまで減少したことは、その核が崩壊してブラックホールを形成したという強力な証拠を提供したと結論づけた。
恒星は、その核内で水素をヘリウムに融合させます。このプロセスにより、重力による一定の内側への引力のバランスをとるために外側への圧力が生じます。太陽の約10倍以上の質量を持つ大質量星が燃料を使い果たし始めると、内向きの力と外向きの力のバランスが崩れます。重力によって星が圧縮され始め、まずその核が降伏して中心に高密度の中性子星が形成されます。通常、このプロセス中にニュートリノが放出されると、超新星爆発で核と外層の多くを引き裂くのに十分な強力な衝撃波が発生します。しかし、ニュートリノによる衝撃波が星の物質を押し出すことができなかった場合、星の物質のほとんどが中性子星に落ちてブラックホールを形成すると理論が長年考えられてきた。
M31-2014-DS1の観測と分析により、研究チームは同様の星NGC 6946-BH1の観測結果を再解釈することができ、超新星爆発に失敗してブラックホールに崩壊した後に星の外層に何が起こるかを理解する上で重要な進歩につながった。見落とされている重要な要素は対流です。対流は、星の内部の大きな温度差の副産物です。星の中心近くの物質は非常に高温ですが、外側の領域ははるかに低温です。この温度差により、恒星の中のガスがより高温の領域からより低温の領域に移動します。
星の核が崩壊しても、外層のガスは対流によって依然として急速に移動しています。フラティロン研究所の天文学者によって開発された理論モデルは、これにより、外層のほとんどがブラック ホールに直接落ち込むのを防ぐことが示されています。代わりに、最も内側の層がブラック ホールの周囲を周回し、対流ゾーンで最も外側の層の放出を引き起こします。共著者の Fratilone 研究者である Andrea Antoni は、以前にこれらの対流モデルの理論的予測を開発しました。 「降着速度、つまり物質が落下する速度は、星の直接爆縮よりもはるかに遅い」と彼女は言う。 「この対流物質には角運動量があるため、ブラックホールの周りを回っています。落下するのに数か月や1年かかるのではなく、数十年かかります。このため、そうでない場合よりもはるかに明るい光源となり、元の星の減光に長い遅れが観察されます。」
水がまっすぐ下に流れずに浴槽の排水溝の周りで渦を巻いているのと同様に、この新しく形成されたブラックホールの周りを移動するガスは、ゆっくりと内側に引き込まれながらも混沌とした軌道を続けます。したがって、対流によって引き起こされる停滞した流入は、星全体が初期のブラックホールに直接崩壊するのを防ぎます。研究者らは、元の星の外殻ガスの約 1 パーセントだけがブラックホールに落ち、今日放射される光の原動力になったと推定しています。
M31-2014-DS1の観測データを分析する際、デ氏と彼のチームは、10年前に分類された同様の星NGC 6946-BH1も再評価した。新しい論文の中で、彼らはこの星がなぜ同様のパターンをたどるのかについての強力な証拠を提示している。 M31-2014-DS1は当初「異常者」のように見えたが、現在ではNGC 6946-BH1を含む天体のクラスの1つにすぎないようだとデ氏は述べた。 「これらの個々の発見の宝石を通してのみ、私たちは全体像をつなぎ合わせ始めます」とデ氏は語った。 「誕生したばかりのブラックホールを取り囲む塵の破片からの光は、非常にゆっくりと減衰し続けるため、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような望遠鏡の感度レベルで数十年にわたって見えるでしょう。これは最終的に、宇宙で恒星ブラックホールがどのように形成されるかを理解するためのベンチマークとなる可能性があります。」