天の川銀河に潜む、1億個の「見えないブラックホール」

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

天の川銀河に存在するとされる、約1億個の孤立ブラックホール

夜空に輝く星の光は、地球に届くまでの間に、あるものの近傍を通り抜けてきた可能性があります。光を放たず、周囲に何の痕跡も残さず、宇宙空間を漂い続ける天体——孤立したブラックホールです。

天文学者の推定によれば、天の川銀河の中だけで、その数はおよそ1億個にのぼるとされています。それらは星々の間を移動しながら、今この瞬間も銀河のどこかを通過しているはずです。しかし私たちには、それを直接確認する手段がありませんでした。

なぜブラックホールのほとんどは、これまで見つからなかったのか

ブラックホールは自ら光を発しません。このため、これまで観測されてきたブラックホールの大多数は、周囲に何らかの「騒ぎ」があるものに限られていました。

代表的なケースが連星系です。ブラックホールが伴星のガスを引きはがすと、そのガスは降着円盤を形成しながら超高温に加熱され、強烈なX線を放射します。1971年に確認された「はくちょう座X-1」は、この方法で存在が推定された最初期の有力候補です。

ところが、もしブラックホールが完全に孤立していたら——伴星もなく、周囲のガスも乏しい状態で宇宙空間を漂っていたとしたら——X線も可視光も何も放射されません。観測上はただの「暗い空間」と区別がつかないのです。

理論的には、このような孤立ブラックホールは大量に存在するはずです。太陽の概ね20倍以上の質量を持つ大質量星は、寿命が尽きると超新星爆発を起こし、中心部が自重で潰れてブラックホールになります。宇宙の年齢である138億年の間に死を迎えた大質量星の残骸は、銀河全体に散らばっているとみられています。計算上の推定数が約1億個というわけです。しかし長らく、その「一つきり」の孤立ブラックホールを観測で捉えた例はありませんでした。

重力による光の曲がりを利用した観測手法「重力マイクロレンズ」

孤立ブラックホールを間接的に検出する手がかりを与えたのは、アインシュタインの一般相対性理論（1915年）です。

同理論によれば、重力の本質は空間の歪みです。重い天体はその周囲の空間を湾曲させ、その空間を通る光の経路もまた曲がります。これを重力レンズ効果と呼びます。

この効果を利用した観測手法が重力マイクロレンズ現象です。仕組みを整理します。

遠くにある一つの星の光が、私たちの方向へ向かって進んでいるとします。その途中——星と観測者のほぼ中間あたりに、見えないブラックホールが通りかかったとします。ブラックホールの重力が周囲の空間を歪め、背後の星の光を一点に集める「レンズ」として働きます。結果として、遠くの星が一時的に明るく見えます。

この増光には特徴的な形があります。レンズとなる天体が手前を横切るにつれて、星の明るさは滑らかに増加し、ピークを過ぎると同じ曲線を描いて元に戻ります。色は変わらず、明るさだけが釣り鐘型に変化します。

さらに決定的な情報を提供するのが、増光が続く時間の長さです。レンズ天体の質量が大きいほど、空間の歪みも大きく、増光期間も長くなります。おおよその目安として次のようになります。

• 地球程度の質量の天体：増光は数時間程度
• 太陽程度の恒星：1か月前後
• 太陽の数倍から10倍超のブラックホール：数百日に及ぶことも

数か月にわたって続く長い増光が記録された場合、そこに「見えない重い何か」が通過した証拠となります。

OB110462：孤立ブラックホール初の有力候補の観測

この手法を実用化するには、膨大な数の星を継続的にモニタリングする必要があります。特定の星の手前をブラックホールが偶然横切る確率は数百万分の一以下とされており、銀河中心方向にある何億個もの星を長期間観測し続ける作業が求められます。

2022年、ハッブル宇宙望遠鏡などを用いた6年間の追跡観測の末、研究チームは「OB110462」と名付けられた増光現象を詳細に解析しました。

解析の決め手となったのは、重力レンズ効果に伴うもう一つの現象です。レンズ天体は背後の星を明るくするだけでなく、その星の見かけの位置をわずかにずらします。チームはこの位置のずれ——ミリ秒角（満月の直径を約2千万等分した角度）という極微の量——を測定し、レンズ天体の質量を推算しました。

結論として導き出されたのは、太陽の約7倍の質量を持ちながら、一切の光を発しない天体です。この質量と光学的な特性は、恒星でも白色矮星でも中性子星でも説明がつかないとされています。これが、完全に孤立したブラックホールとして初めて観測上の候補となった天体です。

位置は地球から約5,000光年。秒速約45kmという速度で銀河内を移動していると推定されています。

なお、OB110462の解釈については、研究者の間でなお議論があります。今回の観測が「孤立ブラックホールの確認例」として定着するかどうかは、今後のさらなる検証によります。

1億個の孤立ブラックホールが存在するなら、なぜほとんど見つかっていないのか

OB110462の発見は、この問いをむしろ強調することになりました。

理論上は1億個の孤立ブラックホールが天の川銀河内に存在するはずですが、観測で確認されたのは現時点でこの1例のみです。重力マイクロレンズ観測は非常に条件が厳しく、見逃しが多い可能性があります。また、孤立ブラックホールはその定義上、周囲に何も引き込まないため、観測機会そのものが極めて稀です。

別の角度からの議論もあります。こうした「見えない重力源」が、宇宙の質量収支の謎であるダークマターの一部を担っている可能性を指摘する研究者もいます。ただしこれは現時点では確定した知見ではなく、検討中の仮説の一つです。

観測技術の現状と、わかっていないこと

孤立ブラックホールが地球に衝突する危険性については、現時点での天文学的な見解では当面の懸念は低いとされています。宇宙空間は極めて広大で、天体同士が衝突する確率は非常に小さいからです。ただし「数光年先に孤立ブラックホールが存在するかどうか」を事前に知る手段は、現在の技術にはありません。

今回の観測が示しているのは、宇宙には光学的に検出できない天体が大量に存在し、私たちの宇宙の「見えている部分」はその全体のごく一部に過ぎないという事実です。光を放つ天体を観測することで宇宙を理解しようとするアプローチには、原理的な限界があります。

孤立ブラックホールの統計的な個数、空間分布、質量の範囲——これらはいずれも、観測データが十分でなく、現時点では推定の域を出ません。次世代の広視野サーベイ観測が、今後この分野に新たなデータをもたらすと期待されています。