2019年11月28日、国際トップ科学ジャーナル「ネイチャー」は、我が国の天文学者が主導する重大な発見をオンラインで発表した。中国科学院国家天文台の劉継峰氏、張昊彤研究員が率いる研究チームは、これまで最大質量の恒星級ブラックホールを発見した。この70倍の太陽質量を持つ超大恒星級ブラックホールは理論的予言の質量上限をはるかに超え、恒星級ブラックホール形成に対する人々の認知を覆し、恒星進化とブラックホール形成理論の革新を推進するに違いない。

一、宇宙吸光器

ホーキング氏は最後の著書『十問』の中で、「事実は時に小説よりも奇妙で、ブラックホールはそれを最もリアルに体現しており、SF作家が想像するどんなものよりも奇妙だ」と書いている。1915年にアインシュタインは広義相対性理論を提案し、ドイツの物理学者カール・シュワジーはアインシュタイン場方程式の正確な解を導き出し、ブラックホールの存在を予告した。それ以来、人類はこの神秘的な天体の想像と探索を止めたことがない。

1965年、白鳥座X-1はその強いX線放射により最初に発見されたブラックホール候補体となった。2015年、初めて検出された重力波はブラックホールの存在により具体的な証拠を提供した。2019年、天文学者は10年をかけて4大陸の8つの観測点を利用してブラックホールの視覚証拠である初のブラックホール「芳容」を捕獲し、かつて「見えない」奇妙な天体に親和性を持たせた。ブラックホールとは何なのか、なぜ一代の天文学者を魅了したのか。自身は発光せず、密度は非常に大きく（太陽の質量の10倍の恒星を直径が北京の六環大の球体に圧縮すると、このような密度はブラックホールの密度に相当する）、非常に強い吸引力を持っており、その周りを通過する物質は、最も速い光でも脱出できない、このような不思議な天体はブラックホールである。そのため、ブラックホールは名実ともに宇宙の真空「吸光器」であると言える。

天文学者はブラックホールの質量の違いに基づいて、ブラックホールを大別して恒星級ブラックホール（100倍太陽質量以下）、中質量ブラックホール（100倍-10万倍太陽質量）と超大質量ブラックホール（10万倍太陽質量以上）に分けた。恒星級ブラックホールは大質量の恒星の死によって形成され、宇宙に広く存在する「住民」である。1つの恒星が最後まで進化し、残った質量が多すぎる（太陽質量の3倍以上）と、白色矮星を形成することも中性子星になることもできないほど多く、死の段階に入ると、この恒星が究極の引力の作用で崩壊し続け、最終的に緻密なブラックホールを形成するのを阻止する力は何もない。球状星団と矮星系中心には中程度の質量のブラックホールがあるかもしれないが、銀河系の中心には銀河系の中心に約400万倍の太陽質量を持つ超大質量ブラックホールが存在する。

二、恒星級ブラックホールをどのように観測するか

ブラックホールは神秘的で面白い、もし竜が深淵に潜り、爪を隠し、宇宙の星の海に潜行するなら。ブラックホールが正常な恒星と密近双星系を構成すれば、ブラックホールは獰猛な手先を現し、強力な「食欲」で直接恒星伴星上のガス物質を吸い込み、吸入盤を形成し、明るいX線光を発する（図1）。これらのX線光は、これらの物質がブラックホールに飲み込まれる前の「バックライトバックライト」のようなもので、天文学者が過去数年間ブラックホールの跡をたどる強力な手がかりとなっている。そして、天文学者は伴星の動きを監視することで、ブラックホールの質量を測定します。これは明るい伴星のブラックホールシステムに適しています。もう1つの方法は、希少な2つのブラックホールについて、科学者は主に重力波実験を通じて時空のさざ波を聞き、さらにブラックホールの合併事件を推論することである。

これまで、銀河系のほとんどの恒星級ブラックホールは、ブラックホールが伴星ガスから放出されるX線を吸収することで識別されてきた。過去50年間、人々はこの方法で約20個のブラックホールを発見し、質量はいずれも3〜20倍の太陽質量の間にあった。

銀河内には数千億個の恒星があり、理論的には銀河系には数億個の大質量死によって形成された恒星級ブラックホールがあるはずだが、ブラックホール双星系ではX線放射を発することができるのはほんの一部にすぎない。ブラックホールとその伴星との距離が遠い場合、私たちの「大食い王」も穏やかで穏やかな一面を見せることができますが、これらの平静的（伴星ガスを吸入しない）ブラックホールをどのように探しているのでしょうか。天文学者はこの最大の恒星級ブラックホールを発見する過程で新しい答えを出した。

ブラックホールがX線を吸い込んで噴射する芸術的想像図（ネットワークから）

三、「隠されている」ブラックホールを捉える

国立天文台が率いる研究チームは、広大な星の海の中で異常を示す双星系を発見した。その中には、隠されている隠されていないブラックホールが含まれているのではないだろうか。700日以上の追跡の道は苦労とすばらしさを含んでいる。

2016年初め、LAMOST科学巡天部の張昊彤主任研究員と雲南天文台の韓占文院士はLAMOSTを利用して双星スペクトルを観測し、双星システムの研究計画を展開することを提案し、ケプラーの1つの天区（K 2-0）の中の3000以上の天体を選んで2年間のスペクトルモニタリングを行った。その中に「歩く風引き」のあるB型星が研究者の注目を集め、この星は規則正しい周期的な運動と異常なスペクトル特徴を示している。

このLAMOSTの「目の中」のB型星スペクトルは非常に豊富な情報を持っており、その有効温度、表面重力、金属存在度などの重要な情報を得ることができるほか、スペクトル中の静止的で運転方向とB型星の逆位相に近い明線（Hα放射線）はこの星に十分な神秘感を与えている。研究者はこのB型星の背後には必ず物語があると疑っているが、それはいったい見えない「誰」の周りを回って運動しているのだろうか。まさか本当にブラックホール！天文学者は宇宙の真実を追う道で、いかなる可能性も簡単には見逃さない。

この特殊なB型星の背後にある真実をさらに検証するために、研究者はすぐにスペインの10.4メートルガーナリー大望遠鏡（GTC）の21回の観測と米国の10メートルケイク望遠鏡（Keck）の7回の高解像度観測を申請し、B型星の性質をさらに確認した。

図2 LB−1システムにおけるB型星とブラックホールの運動法則と速度曲線

スペクトル情報によると、研究者はB型星の金属存在度が太陽存在度の約1.2倍、質量が太陽質量の約8倍、年齢が約35百万年であることを計算した。B型星とHα放射線の速度振幅の比に基づいて、研究者はこの双星系に約70倍の質量の太陽質量を持つ非可視天体が存在することを計算し、それはブラックホールでしかない。B型星の背後にある「ボス」はそのまま天文学者に掘り出された。このような結果は人々を興奮させ、驚喜させたに違いないが、チャンスはいつまでも準備のある人に残されており、2年前の茫漠とした星海の「網をかける」こともなく、今日の「主役」の出現もなかった。

この巨大な恒星級ブラックホールの発見にLAMOSTが貢献したことを記念して、天文学者はブラックホールを含む双星系にLB-1と命名した（図3）。他の既知の恒星級ブラックホールとは異なり、LB-1はX線観測で検出されたことがなく、このブラックホールはその伴星から遠い（1.5倍の日距離）。研究者は米チャンドラX線天文台を用いてこの源を観測し、この新たに発見されたブラックホールはその伴星に非常に微弱に吸収され、「穏やかで穏やかな」恒星級ブラックホール「チャンピオン」であることを発見した。

図3 LB-1の芸術想像図（喩京川絵）

LB−1はX線放射の静かな双星系であり、通常のX線法を用いてこのようなブラックホールを探すことはできない。長い間、ラジアル速度モニタリングは平静的なブラックホール双星を発見できると考えられてきたが、これまでの最大質量ブラックホールの発見はこれを実証した。

四、ブラックホール「チャンピオン」の前世今生

2015年から、米国のレーザー干渉引力波天文台（LIGO）と欧州の室女座引力波天文台（Virgo）の引力波観測実験では、数十倍の太陽質量のブラックホールが発見されており、これまで知られていた銀河系の恒星級ブラックホールよりもはるかに質量が高い。

今回研究者が発見したこの70倍の太陽質量を持つスーパーブラックホールは、銀河系内にもこのような大質量恒星級ブラックホールが存在することを明らかにしただけでなく、恒星級ブラックホールの質量上限に対する人類の認知を更新した（図4）。

同論文の第1著者である劉継峰研究員によると、一般的なモデルでは、大質量恒星級ブラックホールは主に低金属豊度（1/5太陽金属豊度未満）環境に形成されているが、LB-1には太陽金属豊度に近いB型星があると考えられている。現在、恒星進化理論は太陽金属の存在下で最大25倍の太陽質量しか形成できないブラックホールを予言しているため、LB-1におけるブラックホールの質量はすでに既存の恒星進化理論の「聖域」を突破している。これは、恒星の進化によるブラックホールの形成に関する理論が書き換えられたり、以前はあるブラックホールの形成メカニズムが無視されたりすることを意味する可能性があります。LIGO台長デイビッド。レッツ氏は、「銀河系内で太陽の70倍の質量のブラックホールを発見することは、天文学者に恒星級質量ブラックホールの形成モデルの書き換えを迫るだろう。この非凡な成果は、過去4年間にLIGOとVirgoが検出した2つのブラックホールの合併事件とともに、ブラックホール天体物理研究の復興を推進するだろう」とコメントしている。

図4 LB−1と引力波の併合事象、X線法により発見されたブラックホールの質量分布

別の可能性として、LB-1のブラックホールは恒星の崩壊によって形成されたのではないかもしれない。研究者は、LB-1は最初は3体系で、観測されたB型星は最も外側の軌道に位置し、質量が最も小さい構成部分であったが、現在のブラックホールは最初の内部の2体星から形成された2つのブラックホールが合体したものだと推測している。この場合、このシステムはブラックホール併合イベントの絶好の候補体となり、3体システムにおける2つのブラックホール形成を研究するためのユニークな実験室を提供する。

五、「スペクトルの王」と「ブラックホールの王」の相互業績

この「ブラックホールの王」の発見は、LAMOST望遠鏡の強力なスペクトル取得能力を十分に確認した。LAMOSTは4000個の目（光ファイバ4000本）を持ち、一度に4000近くの天体を観測することができる。2019年3月、LAMOSTは1125万本のスペクトルを公開発表し、世界初の1000万を突破したスペクトル巡天プロジェクトとなり、天文学者に世界で最もスペクトル取得率の高い「スペクトルの王」と誉められた（図5）。

先進的な設備が新たな発見を促し、今回の研究では、我が国が自主開発したLAMOSTがかけがえのない役割を果たした。2016年11月から、スペクトル双星の発見と研究のために、研究者はLAMOSTを利用してケプラーの1つの天区の3000以上の恒星を2年間にわたって26回観測し、累計露光時間は約40時間だった。普通の4メートル望遠鏡を使ってこのようなブラックホール（1年365日、1日8時間）を探すには、同じ確率で40年かかる！これはLAMOSTの超高い観測効率を十分に体現している！

図5 LAMOST望遠鏡と星空

「仕事がうまくなりたければ、まずその器を利する」。LAMOSTという「天文利器」の助力天文学者は今日の主役「ブラックホールの王」を発見し、「ブラックホールの王」の出現も「スペクトルの王」であるLAMOSTにさらにすばらしさを加えた。

これまでで最大質量の恒星級ブラックホールであり、LAMOSTが発見した最初のブラックホールでもあり、その出現はLAMOSTの巡天優位を利用してブラックホールを探す新時代の到来を示すだろう。「スペクトルの王」と「ブラックホールの王」の互いの業績が天文界の津々浦々の美談になると信じている。