ブラックホールを「望遠鏡」に!? 星のまたたきで見えない連星を暴く新技術

ブラックホールは宇宙で最も謎めいた天体だ。光さえ飲み込むため、直接その姿を見ることはできない。まして、2つのブラックホールが寄り添って回り合う「連星ブラックホール」ともなれば、見つけるのは至難の業だ。ところが、この見えない怪物のペアを暴き出す、意表を突く新しい方法が提案された。使うのは、ブラックホールの重力そのものがつくる巨大なレンズだ。

この手法を提案したのは、イギリスのオックスフォード大学とドイツのマックス・プランク重力物理学研究所の研究チーム。成果は2026年、物理学の一流誌フィジカル・レビュー・レターズに発表された。論文のタイトルは、ずばり「望遠鏡としてのブラックホール」。いったいどういうことなのか、順を追って解き明かしていこう。

そもそも、なぜ連星ブラックホールは見つからないのか

大きな銀河の中心には、たいてい太陽の数百万〜数十億倍という超大質量ブラックホールが鎮座している。私たちの天の川銀河の中心にも、太陽のおよそ400万倍の質量を持つ「いて座A*」がいる。そして銀河同士が衝突・合体すると、それぞれの中心にいたブラックホールも引き寄せ合い、やがてペアを組んで回り始める。理屈のうえでは、連星ブラックホールは宇宙にありふれているはずなのだ。

ところが、確実に見つかった近接ペアはごくわずかしかない。理由は三つある。まずブラックホール自身は光を出さない。次に、2つが十分に近づくと、望遠鏡ではもはや2つの点に分けて見ることができない。そして、合体のときに放たれる時空のさざ波「重力波」も、ぶつかる直前の一瞬しか強く出ないため、長い接近期間はずっと静かなままなのだ。見えず、分けられず、音も立てない——だからこそ連星ブラックホールは、宇宙最大級の「隠れんぼ名人」だった。銀河には数億個ものブラックホールが眠っているとされるのに、近接した連星をはっきり確定できた例が驚くほど少ないのは、こうした事情による。暗い部屋に2人が立っていても、明かりがなければ1人なのか2人なのか見分けられない。それと同じことが、宇宙の暗がりで起きているのだ。

アインシュタインが予言した「時空のレンズ」

そこで登場するのが、アインシュタインの一般相対性理論だ。理論によれば、重い天体のまわりでは時空そのものが歪む。よく使われるたとえが、ピンと張ったトランポリンの上にボウリングの球を置いた情景だ。球の重みで布がへこむように、質量が時空をへこませる。

その歪んだ時空を通る光は、まっすぐ進めずに進路を曲げられる。まるで虫眼鏡が光を集めるように、天体の重力がレンズの役割を果たすのだ。これを重力レンズ効果という。とりわけ、手前の天体が背後の星の光を曲げて一時的に明るく見せる現象を、重力マイクロレンズ効果と呼ぶ。ブラックホールは極端に重いので、その周りの時空は激しく歪み、通りかかった星の光を大きく曲げる。見えないはずのブラックホールが、光を曲げるという「仕業」によって自分の存在を明かしてしまうわけだ。

星が「またたく」パターンに秘密がある

単独のブラックホールが背後の星の前を横切ると、その星は数日から数週間かけてなめらかに明るくなり、また元に戻る。左右対称の、きれいな一つの山を描く明るさの変化だ。この山の高さと長さを調べれば、レンズとなった天体の重さや距離が分かる。もし手前の天体と背後の星、そして地球が完全に一直線に並べば、背後の星の光は点ではなくリング状に見える。アインシュタイン自身が予言したこの光の輪は「アインシュタイン環」と呼ばれ、重力レンズの象徴として知られている。夜空の街灯の前を透明なガラス玉がすっと横切ると、玉のレンズ効果で街灯が一瞬パッと明るくなる——単独レンズによる増光は、ちょうどそんなイメージだ。

ところが、レンズが2つになると話は一変する。連星ブラックホールの周りには、光が異常に強く集まる特別な曲線が生まれる。専門的には「カスティック」と呼ばれる、時空にできたダイヤモンド型の「焦点線」だ。背後の星がこの焦点線をまたぐ瞬間に、鋭く急激に増光する。焦点線に入るときと出るときの2回、光がスパイクのように跳ね上がるのだ。なめらかな一つの山ではなく、鋭い山がいくつも現れる——この複雑なまたたきのパターンこそ、そこにブラックホールのペアが潜んでいる決定的な指紋になる。単独のレンズでは、どうやってもこんな込み入った変化は生まれない。逆に言えば、背後の星の明るさの記録に鋭いスパイクが複数刻まれていれば、それは「そこに見えない連星がいる」という何よりの証拠になるのだ。

「望遠鏡としてのブラックホール」という発想

今回の研究の一番の新しさは、連星が公転している点に着目したことだ。2つのブラックホールが互いの周りを回ると、光を集めるあの焦点線(カスティック)自体も、くるくると回転し、宇宙空間を掃くように動いていく。

すると何が起きるか。焦点線が回転しながら、背後にある無数の星の上を順番に通過していく。その結果、たくさんの星が次々と、繰り返しフラッシュのように点滅するのだ。研究者たちはこれを、回転する灯台の光にたとえる。灯台の光が周りの家々の窓を順に照らしていくように、公転する連星ブラックホールの焦点線が、背後の星々を代わる代わる輝かせる。この点滅のリズムを読み解けば、直接は決して見えないブラックホールのペアの存在も、その公転の様子までも割り出せる。見えない天体を、背後の星を照らす「巨大な望遠鏡レンズ」として使う——それが「望遠鏡としてのブラックホール」という発想だ。

この技術が挑む「最終パーセク問題」

この新手法は、天文学の長年の難問にも光を当てる。それが「最終パーセク問題」だ。

銀河が衝突すると中心のブラックホール同士は近づいていくが、およそ1パーセク(約3.26光年)の距離まで来ると、そこで失速すると考えられてきた。周りの星をはじき飛ばし尽くして近づく力を失う一方、重力波を強く出して一気に合体するにはまだ遠すぎる。この「最後の1パーセク」の壁を越えられず、宇宙の年齢のうちには合体できないはずだ——という理論上の矛盾である。もし本当に越えられないなら、宇宙にあふれるはずの巨大ブラックホールの成長も、重力波の観測結果も説明がつかなくなる。今回のレンズ手法は、まさにこの「越えられないはず」の距離に連星が実在するのかどうかを、直接確かめる手段になり得る。理論の袋小路に、観測から風穴を開けようというわけだ。

重力波では「聞こえない」音を、光で「見る」

連星ブラックホールと聞くと、重力波を思い浮かべる人も多いだろう。実際、重力波は連星を探る強力な手段だ。ただし、質量によって「担当」が分かれている。地上のLIGOやKAGRAといった検出器が捉えるのは、太陽数十個ぶんの比較的軽いブラックホールが合体する最後の一瞬だ。

では、銀河中心の超大質量ブラックホールの連星はどうか。これらが放つのは、はるかにゆっくりとした重力波で、地上の検出器では捉えられない。そこで活躍するのが、宇宙にちらばるパルサーを巨大な検出器として使う手法だ。2023年、国際チームは15年ぶんの観測から、この超低周波の重力波が宇宙を満たしている証拠をつかんだ。その主な源とされるのが、まさに全天に潜む超大質量ブラックホールの連星たちである。ただし重力波でわかるのは「全体のざわめき」であって、個々のペアの居場所までは特定しにくい。今回の光による手法は、その重力波が示した「見えない連星」を、一つひとつ電磁波で名指しできる補完策になるのだ。

すでに疑われている「12年周期の巨人」

連星ブラックホールの有力候補は、実はすでにいくつか知られている。なかでも有名なのが、およそ50億光年かなたにあるOJ 287という天体だ。この天体は約12年ごとに規則正しく大増光することが100年以上前の記録から確かめられている。

その正体は、太陽の約180億倍という途方もなく重い主ブラックホールの周りを、太陽1.5億倍の伴ブラックホールが回る連星だと考えられている。伴星が主星を取り巻く高温ガスの円盤を1周につき2回突き抜けるたびに、大きな閃光が走る——これが12年周期の増光の正体だという。こうした「状況証拠」を持つ候補はいくつか知られてはいるものの、近接した連星の存在をはっきりと確定できた例は、いまだにごくわずかしかないのが現状だ。だからこそ、星のまたたきから連星を暴くこの新手法に、大きな期待が寄せられている。

鍵を握るのは次世代の宇宙望遠鏡

この手法が力を発揮するには、膨大な数の星を、長い期間くり返し観測し続ける必要がある。焦点線が背後の星を順に照らす「点滅のリズム」を捉えるには、大量の星を根気よく見張る目が欠かせないからだ。

その役目を担うのが、これから稼働する次世代の観測装置だ。全天を繰り返し撮影するチリのベラ・ルービン天文台や、2027年ごろの打ち上げが予定されるNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、銀河の中心方向にひしめく無数の星を、高い頻度で長期間モニターできる。旧来、星のまたたきの観測は地上の望遠鏡が主役だったが、これらの新しい目が加われば、連星ブラックホールの点滅を統計的に拾い上げられるようになる。理論として提案されたこの手法が、現実の発見へと変わる日は、そう遠くないのかもしれない。

光さえ逃さないブラックホールを、背後の星のまたたきという「影絵」から暴き出す。それは、見えないものを見ようとする人類の粘り強い工夫の、最新の一手だ。なお、この手法はまだ理論として提案された段階であり、実際にこの方法で連星が見つかったわけではない。だが、宇宙の暗がりで静かに踊り続ける巨大な連星たちが、その姿を光で語り始める日を、天文学者たちは心待ちにしている。