第25章天の川銀河The Milky Way Galaxy

Just what is Sagittarius A*, which lies right at the center our Galaxy? To establish that there really is a black hole there, we must show that there is a very large amount of mass crammed into a very tiny volume. As we saw in Black Holes and Curved Spacetime, proving that a black hole exists is a challenge because the black hole itself emits no radiation. What astronomers must do is prove that a black hole is the only possible explanation for our observations—that a small region contains far more mass than could be accounted for by a very dense cluster of stars or something else made of ordinary matter.

天の川銀河のちょうど中心にあるいて座A*とは、いったい何だろうか。本当にブラックホールがあると確立するには、非常に大きな質量が、ごく小さな体積に詰め込まれていると示さなければならない。「ブラックホールと曲がった時空」で見たように、ブラックホール自体は放射を出さないので、その存在を証明するのは難しい。天文学者が示すべきなのは、観測を説明できる唯一の可能性がブラックホールであるということだ。つまり、ごく密な星団や、普通の物質でできたほかの何かでは説明できないほど、大きな質量が小さな領域にあると示す必要がある。

To put some numbers with this discussion, the radius of the event horizon of a galactic black hole with a mass of about 4 million M_Sun would be only about 17 times the size of the Sun—the equivalent of a single red giant star. The corresponding density within this region of space would be much higher than that of any star cluster or any other ordinary astronomical object. Therefore, we must measure both the diameter of Sagittarius A* and its mass. Both radio and infrared observations are required to give us the necessary evidence.

具体的な数値を入れて考えよう。約400万太陽質量を持つ銀河中心のブラックホールの事象の地平面の半径は、太陽の大きさのわずか約17倍で、一個の赤色巨星に相当する。この空間領域に対応する密度は、どの星団や、ほかの通常の天体よりもずっと大きくなる。したがって、いて座A*の直径と質量の両方を測定する必要がある。必要な証拠を得るには、電波と赤外線の両方の観測が求められる。

First, let’s look at how the mass can be measured. If we zero in on the inner few light-days of the Galaxy with an infrared telescope equipped with adaptive optics, we see a region crowded with individual stars (Figure 25.17). These stars have now been observed for almost two decades, and astronomers have detected their rapid orbital motions around the very center of the Galaxy.

まず、質量をどう測るかを見てみよう。補償光学を備えた赤外線望遠鏡で銀河の最も内側の数光日に狙いを絞ると、個々の星が密集する領域が見える（図25.17）。これらの星は、すでに20年近く観測されており、天文学者は銀河のまさに中心を回る、速い公転運動を捉えている。

If we combine observations of their periods and the size of their orbits with Kepler’s third law, we can estimate the mass of the object that keeps them in their orbits. One of the stars has been observed for its full orbit of 15.6 years. Its closest approach takes it to a distance of only 124 AU or about 17 light-hours from the black hole. This orbit, when combined with observations of other stars close to the galactic center, indicates that a mass of 4.6 million M_Sun must be concentrated inside the orbit—that is, within 17 light-hours of the center of the Galaxy.

観測された公転周期と軌道の大きさに、ケプラーの第3法則を組み合わせると、星を軌道にとどめている天体の質量を推定できる。一つの星では、15.6年の公転を一周すべて観測できた。この星は最接近時に、ブラックホールからわずか124 AU、約17光時の距離を通る。この軌道と、銀河中心近くの別の星の観測を合わせると、460万太陽質量がその軌道の内側、つまり銀河中心から17光時以内に集中していなければならないと分かる。

Even tighter limits on the size of the concentration of mass at the center of the Galaxy come from radio astronomy, which provided the first clue that a black hole might lie at the center of the Galaxy. As matter spirals inward toward the event horizon of a black hole, it is heated in a whirling accretion disk and produces radio radiation. (Such accretion disks were explained in Black Holes and Curved Spacetime.) Measurements of the size of the accretion disk with the Very Long Baseline Array, which provides very high spatial resolution, show that the diameter of the radio source Sagittarius A^* is no larger than about 0.3 AU, or about the size of Mercury’s orbit. (In light units, that’s only 2.5 light-minutes!)

銀河中心の質量集中の大きさには、電波天文学からさらに厳しい上限が得られる。そもそも銀河中心にブラックホールがあるかもしれないという最初の手がかりも、電波がもたらした。物質は、ブラックホールの事象の地平面に向かって内側へ渦を巻きながら落ちると、回転する降着円盤で加熱され、電波を生む。降着円盤については「ブラックホールと曲がった時空」で説明した。非常に高い空間分解能を持つ超長基線アレイ（VLBA）で降着円盤の大きさを測定すると、電波源いて座A*の直径は約0.3 AU以下、つまり水星の軌道ほどの大きさである。光の進む距離で表せば、わずか2.5光分だ。

The observations thus show that 4.6 million solar masses are crammed into a volume that has a diameter that is no larger than the orbit of Mercury. If this were anything other than a supermassive black hole—low-mass stars that emit very little light or neutron stars or a very large number of small black holes— calculations show that these objects would be so densely packed that they would collapse to a single black hole within a hundred thousand years. That is a very short time compared with the age of the Galaxy, which probably began forming more than 13 billion years ago. Since it seems very unlikely that we would have caught such a complex cluster of objects just before it collapsed, the evidence for a supermassive black hole at the center of the Galaxy is convincing indeed.

こうして観測は、水星の軌道を越えない直径の領域に、460万太陽質量が詰まっていることを示す。これが超大質量ブラックホール以外のもの、たとえばほとんど光を出さない低質量星、中性子星、あるいは非常に多数の小さなブラックホールなら、計算によると、あまりに密に詰まっているため10万年以内に一つのブラックホールへ崩壊してしまう。銀河は、おそらく130億年以上前に形成され始めた。その年齢に比べれば10万年はごく短い。これほど込み合った天体の集団が崩壊する直前を、たまたま捉えているとは考えにくいので、銀河中心の超大質量ブラックホールの証拠は、実に説得力がある。

Where did our galactic black hole come from? The origin of supermassive black holes in galaxies like ours is currently an active field of research. One possibility is that a large cloud of gas near the center of the Milky Way collapsed directly to form a black hole. Since we find large black holes at the centers of most other large galaxies (see Active Galaxies, Quasars, and Supermassive Black Holes)—even ones that are very young—this collapse probably would have taken place when the Milky Way was just beginning to take shape. The initial mass of this black hole might have been only a few tens of solar masses. Another way it could have started is that a massive star might have exploded to leave behind a seed black hole, or a dense cluster of stars might have collapsed into a black hole.

天の川銀河のブラックホールは、どこから来たのだろうか。私たちの銀河のような銀河にある超大質量ブラックホールの起源は、現在、活発な研究分野である。一つの可能性は、銀河中心近くの大きなガス雲が直接崩壊してブラックホールを作ったというものだ。ほかの大型銀河の大部分、それも非常に若いものの中心にも大きなブラックホールが見つかるので、この崩壊は天の川銀河が形を取り始めたころに起きたのだろう。「活動銀河・クエーサー・超大質量ブラックホール」を参照してほしい。最初の質量はわずか数十太陽質量だったかもしれない。別の出発点としては、大質量星が爆発して種となるブラックホールを残したか、密な星団がブラックホールへ崩壊した可能性もある。

Once a black hole exists at the center of a galaxy, it can grow over the next several billion years by devouring nearby stars and gas clouds in the crowded central regions. It can also grow by merging with other black holes.

銀河中心にいったんブラックホールができると、その後の数十億年間、密集した中心領域の近くの星やガス雲をのみ込んで成長できる。ほかのブラックホールと合体して成長することもできる。

It appears that the monster black hole at the center of our Galaxy is not finished “eating.” At the present time, we observe clouds of gas and dust falling into the galactic center at the rate of about 1 M_Sun per thousand years. Stars are also on the black hole’s menu. The density of stars near the galactic center is high enough that we would expect a star to pass near the black hole and be swallowed by it every ten thousand years or so. As this happens, some of the energy of infall is released as radiation. As a result, the center of the Galaxy might flare up and even briefly outshine all the stars in the Milky Way. Other objects might also venture too close to the black hole and be pulled in. How great a flare we observe would depend on the mass of the object falling in.

天の川銀河の中心の怪物ブラックホールは、まだ「食事」を終えていないようだ。現在、約1000年に1太陽質量の割合でガスや塵の雲が銀河中心へ落ち込むのを観測している。星もまた、このブラックホールの献立に入っている。中心近くの星の密度は十分高く、およそ1万年ごとに一つの星がブラックホールの近くを通り、のみ込まれると予想される。その際、落下のエネルギーの一部が放射として解放される。その結果、銀河中心が急に明るくなり、短時間ながら天の川銀河のすべての星を合わせた明るさを上回るかもしれない。ほかの天体も近づきすぎて引き込まれる可能性がある。観測するフレアの大きさは、落ち込む天体の質量によって決まるだろう。

In 2013, the Chandra X-ray satellite detected a flare from the center of our Galaxy that was 400 times brighter than the usual output from Sagittarius A*. A year later, a second flare, only half as bright, was also detected. This is much less energy than swallowing a whole star would produce. There are two theories to account for the flares. First, an asteroid might have ventured too close to the black hole and been heated to a very high temperature before being swallowed up. Alternatively, the flares might have involved interactions of the magnetic fields near the galactic center in a process similar to the one described for solar flares (see The Sun: A Garden-Variety Star). Astronomers continue to monitor the galactic center area for flares or other activity. Although the monster in the center of the Galaxy is not close enough to us to represent any danger, we still want to keep our eyes on it.

2013年、チャンドラX線衛星は、銀河中心から、いて座A*の通常の出力の400倍も明るいフレアを検出した。1年後には、その半分の明るさの二度目のフレアも検出された。それでも、一つの星を丸ごとのみ込む場合に出るエネルギーより、はるかに小さい。このフレアには二つの説明がある。まず、小惑星がブラックホールへ近づきすぎ、のみ込まれる前に非常に高温になったのかもしれない。別の可能性は、太陽フレアで説明したのと似た過程で、銀河中心近くの磁場が相互作用したというものだ。「太陽――ありふれた恒星」を参照してほしい。天文学者はフレアなどの活動を捉えるため、銀河中心の観測を続けている。中心の怪物は、私たちに危険が及ぶほど近くはないが、それでも目を離したくはない。