自らの光を飲み込むブラックホール

ブラックホールをブラックホールたらしめているのは事象の地平面だ。その先からは何ものも、光でさえも戻ってこられない境界である。定義上、そこからは何の信号も届かない。イベント・ホライズン・テレスコープは、銀河M87といて座A*にある巨大ブラックホールの影を撮影した。これは地平面の間接的な証拠である。しかし、恒星から生まれたブラックホールの地平面は差し渡し数十キロメートルしかなく、撮影するにはあまりにも小さい。

暗い相棒という論拠

天文学者には別の手がかりがある。死んだ星が伴星からガスを引き込んでいるペアでは、静穏なブラックホールの系は、似た軌道をもつ中性子星の系よりもふつう約100倍暗い。その説明はこうだ。落下するガスは中性子星の表面にぶつかって光るが、ブラックホールはエネルギーを飲み込んでしまう。

弱点は一つの仮定にある。この論拠は、軌道が似ていれば物質の供給率も似ていると想定している。軌道周期が80分より長い場合、伴星は褐色矮星のことも、ふつうの恒星のことも、巨星のこともあり、ガスの流れを駆動する効果もいくつか考えられる。実際の供給率はわからない。

数分で公転するペア

廈門大学のQian-Qi Ma、Wei-Min Gu、Mouyuan Sunと、南京師範大学のShan-Shan Wengは、超コンパクトX線連星に目を向けた。公転周期が40分未満になると、二つの天体はあまりにも近いため、伴星は白色矮星でしかありえない。そして軌道は主に重力波を放出することで縮んでいく。

このため、これらの系は余計な要素のない実験室になる。供給率は、重力の理論と、白色矮星の大きさと質量の関係だけで決まる。いくつかの質量を仮定すれば（中性子星なら太陽の1.4〜2倍、ブラックホールなら3〜20倍）、公転周期だけから計算できるのだ。

チームはこうした系を五つ選んだ。いずれも球状星団の中にある。球状星団は古い星が密集した球で、距離が2%以内の精度でわかっている。

• 四つは中性子星を含む。熱核反応によるX線バーストから特定された。
• 一つ、47 Tuc X-9はブラックホールを含む。電波とX線の放射がどのように連動して変化するかから特定された。公転周期は約28分である。

次にチームは、チャンドラ、スウィフトなどの観測装置から得た各系の平均X線出力を、計算した供給率と比較した。

千倍暗い

その結果得られるのが放射効率、つまり落下する質量のエネルギーのうちX線として出てくる割合だ。

• 四つの中性子星はすべて5%を超える。
• ブラックホールは0.03%を下回る。

その差は2〜3桁に及ぶ。最も際立つのは次のペアだ。中性子星の系M15 X-2とブラックホールの47 Tuc X-9は、ともに毎秒約10¹⁶グラムという似た供給率なのに、47 Tuc X-9は千倍暗い。一部の天体の明るさに最大10倍の不確かさがあることを考慮しても、二つのグループは離れたままだ。

エネルギーの行き先

著者らは、底に何があるかによってこれを説明する。中性子星には硬い表面がある。流れ込む高温のガスが途中でうまく放射できなくても、そのエネルギーは最終的に表面に置かれ、放射し直される。ブラックホールには表面がない。供給率が低いと、ガスのエネルギーの多くは熱として内側へ運ばれ、地平面の向こうへ消えてしまう。

著者らにとって、これは恒星質量ブラックホールの地平面を示す強力な証拠だ。ただし彼ら自身の要約にもあるとおり、間接的なものである。しかも根拠はブラックホール一つだけだ。著者らは検証可能な予測を示している。このような狭いペアで新たに見つかる中性子星はどれも明るいグループに入るはずであり、似た軌道をもつブラックホールはどれも47 Tuc X-9と同じくらい暗いはずだ、というものだ。

巨大ブラックホールへの教訓

この研究は、より広い警告も含んでいる。ブラックホールの場合、明るさは、どれだけ食べているかを測る物差しとしては当てにならない。ブラックホールは暗いままで成長しうる。著者らによれば、超大質量ブラックホールの成長をその光から推定する探査は、成長の一部を見逃している可能性がある。