S301はブラックホールの自転を測る「宇宙の探針」になるか

銀河系の中心にある超大質量ブラックホール、いて座A*（Sgr A*）のすぐそばを、恒星S301が猛烈な速度で周回していることが分かった。S301は、いて座A*の周囲で確認された恒星のなかで、最も内側を回り、最接近時の速度も最速とされる天体だ。

S301が注目される理由は、単に速いからではない。ブラックホールに極めて近い軌道を通るため、その運動を精密に追跡すれば、ブラックホールの自転や、強い重力場での一般相対性理論の効果を調べられる可能性がある。

8.7年で一周する細長い軌道

S301は、非常に細長い楕円軌道を描き、約8.7年でいて座A*を一周する。ブラックホールはこの楕円の一端近くに位置し、恒星が最も接近する地点は「近日点」と呼ばれる。

近日点での距離は約12天文単位（AU）。これは地球と太陽の距離の約12倍で、太陽と土星の距離に近い規模だ。研究で示された値では、いて座A*の重力半径の約280倍に相当する。

S301はブラックホールへ落ち込むように近づくにつれて重力で大きく加速し、近日点付近では約2万5000km/sに達すると予測されている。これは光速の約8％にあたり、銀河系で観測された恒星として最速級の速度だ。

一方、S301そのものは非常に暗い。Kバンドの等級は約19.3で、研究チームは主系列星の可能性が高いとみているが、暗さのため性質を詳しく確定するのは容易ではない。

GRAVITYが2023年に発見、過去の記録からも確認

S301は2023年春、ESOの超大型望遠鏡干渉計（VLTI）に搭載されたGRAVITYで発見された。いて座A*の北西約15ミリ秒角の位置に現れ、その後の観測では外向きに移動しながら、速く、わずかに曲がった動きを見せた。

研究者たちは2023年の位置測定からS301の軌道を推定し、恒星が過去にどこに見えていたはずかを計算した。その結果、2021年のGRAVITYアーカイブデータ、さらに2017年のデータからもS301を見つけ出した。観測期間が延びたことで、極端な軌道という解釈をより強く裏付けることができた。

ただし、軌道の推定はまだ暫定的だ。現時点ではS301の視線速度、つまり地球に近づいているのか遠ざかっているのかを示す速度の測定が得られていない。今後の観測によって、軌道の形や近日点を通過する時期、恒星の3次元的な運動がさらに絞り込まれることになる。

ブラックホールの自転が時空を引きずる

回転するブラックホールは、周囲の物体を単に引き寄せるだけではない。一般相対性理論によれば、ブラックホールの角運動量は周囲の時空そのものを引きずる。この現象は「フレームドラッギング」または「レンズ・ティリング歳差運動」と呼ばれる。

恒星の軌道は、この効果によって少しずつ向きを変える。特に、軌道面の向きが長い時間をかけて変化する可能性がある。効果の強さはブラックホールから離れるほど急速に弱まるため、いて座A*に近い近日点を持つS301は、より遠い軌道を回る恒星よりも自転の影響を受けやすい。

S301の位置を高い精度で何度も測定すれば、回転するブラックホールが生み出す小さな軌道変化を、長期的に検出できる可能性がある。観測された変化を、ブラックホールが高速回転している場合と、回転していない場合に予測される軌道と比較することで、いて座A*の自転を制約できると期待されている。

ただし、これは現時点で自転を測定したという意味ではない。2031年末ごろに予想されるS301の次の近日点通過を前に観測を続け、その後も約10年間追跡することで、蓄積する軌道のずれを捉えられるかが重要になる。

「無毛定理」を試す、さらに難しい観測

将来的には、S301の軌道からブラックホールの「四重極モーメント」を測定できる可能性もある。これは、ブラックホールの自転が質量による重力場の形に与える影響を表す量だ。

一般相対性理論のカーブラックホール解では、孤立したブラックホールの外部から測定できる性質は、基本的に質量と自転によって決まるとされる。天体としてのブラックホールでは電荷は無視できると考えられる。この質量・自転・四重極モーメントの関係を検証することは、ブラックホールに余分な「毛」はないとする、いわゆる無毛定理の検証につながる。

もっとも、四重極モーメントの測定は、自転の検出よりはるかに難しい。信号が小さいうえ、銀河系中心にある別の恒星や、まだ見つかっていないコンパクト天体の重力による揺らぎと区別しなければならないからだ。そのため研究者たちは、無毛定理の検証を確実な成果ではなく、長期的な目標として位置づけている。

これから約10年が勝負

当面の課題は、S301を継続的に観測し、軌道の推定精度を高めることだ。追加の測定によって視線方向の運動が分かれば、近日点の距離や通過時期もより正確に予測できる。また、相対論的な効果と、銀河系中心の複雑な恒星環境による不確かさを切り分ける助けにもなる。

S301の速さは目を引く。しかし、この星の本当の価値は、速さそのものよりも、いて座A*にこれほど近い軌道を通る点にある。暗く小さな恒星の動きを精密に追うことで、天文学者はブラックホールの自転と、回転するブラックホールが周囲の時空に及ぼす影響を探ろうとしている。