天文学者らは、活動銀河マルカリアン 501 (略して Mrk 501) の中心に 2 つの超大質量ブラック ホールで構成される疑わしい密連星系を発見しました。関連する研究はドイツのマックス・プランク電波天文学研究所によって主導され、王立天文学協会の月次通知に受理されました。
長期にわたる高解像度の電波観測により、銀河の中心部に長年知られていた強力な粒子ジェット（ジェットとはほぼ光速で放出される高エネルギー粒子の流れを指す）があるだけでなく、隠された第2のジェットも存在することが示され、互いに極めて接近して周回する一対の超大質量ブラックホールの直接的な証拠が得られる。
現在の研究では、ほぼすべての大きな銀河が、太陽の数百万倍から数十億倍の質量を持つ超大質量ブラックホールの中心に存在していることがわかっています。しかし、周囲のガスが降着しただけでは、宇宙の年齢内でこれほどの「大きさ」に成長することは困難です。したがって、ブラックホール間の合体は「太らせる」ための重要な方法の1つであると考えられています。銀河間の衝突が観察されることは珍しいことではなく、これらの銀河の中心にあるブラックホールは重力の影響で徐々に接近し、最終的には合体するはずだとも推測されています。しかし、理論モデルはこの「最終段階」を説明する上でまだ不完全であり、「近接連星ブラックホール」系はこれまでイメージングによって確実に確認されたことはありません。 Mrk 501 のこの観測は、この長年にわたる天体物理学の全体像に重要なパズルのピースを提供します。
研究チームは、約23年間にわたるさまざまな無線周波数でのMrk 501のコア領域の観測データの体系的な分析を実施しました。このデータは、世界中に分散された電波望遠鏡のネットワークから得られたもので、非常に高い角度分解能を形成しています。その結果、地球の方向を向いていて特に明るい既知のジェットに加えて、データ内に隠された 2 番目のジェットも存在することがわかりました。その方向は最初のジェットとは明らかに異なり、わずか数週間で大きな位置変化を示しました。マルチエポックデータの比較により、天文学者は2番目のジェットを「見た」だけでなく、その軌道を追跡しました。これは、別のブラックホールの周りの軌道の投影効果として解釈されました。
観測記録によると、2番目のジェットは既知のブラックホールの背後からより大きな質量で放出され、反時計回りに軌道を周回しているようで、連続観測ではあたかもジェット系全体が「揺れている」かのように周期的な変位の変化を示している。研究チームは、この現象をブラックホール連星系の軌道面の揺れとして説明した。2つのブラックホールは互いに軌道を周回するため、ジェットの方向と私たちの視線との間の角度が常に変化する。 2022年6月の観測では、ジェットシステムからの放射線がたまたま極端に「歪んだ」経路を通って地球に到達した。既知の前景ブラック ホールの強い重力の曲げ効果の下で、後部ジェットからの光は、ほぼリング状の構造、いわゆる「アインシュタイン リング」に「引き込まれ」ました。これは、「前景のブラック ホールは重力レンズとして機能し、背景のジェットは 2 番目のブラック ホールから発生する」という説明を強力に裏付けます。
研究チームは、ジェットの明るさの変化と位置の変化の周期性を分析することにより、2つのブラックホールが互いに周回するのに約121日かかると計算した。それらの間の距離は、地球と太陽の間の距離の約250から540倍であると推定されています。これは、普通の星にとってはまだ巨大なスケールですが、1億から10億太陽質量の間の質量を持つ超大質量ブラックホールにとって、この距離はすでにかなり「狭い」ものです。質量範囲と軌道パラメータに基づくと、この連星ブラックホール系は、重力放射線による軌道エネルギーの損失により、わずか約 100 年以内に最終的に合体する可能性があります。この時間スケールは、宇宙の進化において「差し迫っている」と考えられています。
2つのブラックホール自体は非常に巨大ですが、Mrk 501は地球から非常に遠いため、ブラックホールの「事象の地平線」のリング構造を撮影した事象地平線望遠鏡（EHT）でさえ、現時点ではそれらを2つの独立した天体に直接分解することができないことは言及する価値があります。軌道半径がさらに縮小すると、連星ブラックホール系の「最終回転円」を画像で直接見ることは依然として難しいが、科学者らは別の「信号」、つまり超低周波帯域の重力波放射を通じてその最終段階を捉えることを期待している。これらの信号は、ミリ秒パルサーの周期的な微小摂動を正確に監視することによって宇宙の大規模重力波背景を「聞く」「パルサー・タイミング・アレイ」（PTA）観測手法を通じて検出されると期待されている。
実際、超大質量ブラックホール連星はすでに、2023年にヨーロッパパルサータイミングアレイなどのチームによって報告された「重力波バックグラウンド」信号を説明する主要な情報源の1つとなっている。現在、MRK 501は非常に貴重な「ターゲット実験室」となっており、PTAによって測定された特定の低周波重力波信号を特定のバイナリーブラックホールシステムと直接対応させることが期待されており、以前の統計的「バックグラウンド」に明確な正体を与えると期待されている。天体。研究協力者らは、将来、この発生源の方向で重力波の捕捉に成功すれば、ブラックホールが螺旋状に接近する過程に対応して、時間の経過とともに周波数が徐々に増加することが期待されるだけでなく、「超大質量ブラックホール合体」規模の「リアルタイム追跡」に近い進化記録を初めて取得できる可能性があると指摘した。
この研究では、マックス・プランク電波天文学研究所のシルケ・ブリッツェン、フレデリック・ジャロン、ニコラス・ロイ・マクドナルドが共著者として署名されており、関連する結果は王立天文学協会の月刊通知に掲載される予定です。 Mrk 501の中心にあるこの一対の超大質量ブラックホール連星は、天の川銀河の中心にあるブラックホールがどのように成長するかを理解するための重要な事例を提供するだけでなく、パルサーのタイミングに基づく将来の重力波天文学のための稀な「発射範囲」を切り開き、今後数十年から数百年の間に人類が宇宙規模の「ブラックホール合体」を自分の目で目撃できるようにする。