NGC 1277の怪物：理論に挑むブラックホール

ブラックホール

ブラックホールとは何か？

ブラックホールとは、その重力場があまりに強烈で、あらゆる形態の物質や放射が逃れることを妨げるほど大質量の天体である。恒星、惑星、物質、エネルギー、そして光さえも逃れられない。 ブラックホールは一般相対性理論によって記述される。 死んだ恒星の核が中性子星になるには重すぎる場合、それは容赦なく収縮し、この神秘的な天体を形成する。それがブラックホールである。

暗い星からジョン・ミッチェルまで

恒星質量ブラックホールは数太陽質量から数十億太陽質量までの質量を持つ。 それらは大質量恒星の残骸の重力崩壊の後に生まれる。 18世紀にすでに暗い星の存在を予言していた人物がいた。イギリスの物理学者、天文学者、地質学者ジョン・ミッチェル（1724-1793）である。 彼のノートには、恒星が重くなりすぎると、その重力の影響で光を引き寄せると書かれている。しかし、彼の計算では恒星の密度が1cm³あたり180億トンに相当したため、そんなものは存在し得ないと結論付けた。

超大質量ブラックホールNGC 1277の発見

ペルセウス銀河団の銀河

NGC 1277は、地球から約2億2千万光年の距離にあるペルセウス銀河団に位置するレンズ状銀河である。 1875年にアイルランドの天文学者ローレンス・パーソンズ（1840-1908）によって発見されたこの銀河は、2012年にその例外的に大質量の中心ブラックホールが明らかになって以来、特権的な研究対象となっている。 このユニークなシステムは銀河形成の標準モデルに挑み、天体物理学者に銀河進化を支配する極限過程への独自の窓を提供している。

修正された質量：科学論争の物語

170億から数十億太陽質量へ

ファン・デン・ボッシュとその同僚たち（2012年）による最初の発表は、ホビー・エバリー望遠鏡で得られた比較的低い角度分解能の分光データに基づき、170億（±30億）太陽質量という質量を提案した。これは恒星バルジの質量の約59%、銀河の全恒星質量の14%に相当する。この発表は直ちに科学界で活発な議論を引き起こした。

2013年には早くも、エリック・エムセレムによる同じデータの再解析が、異なる動力学モデリング（ジーンズ異方性モデリング）を用いて、質量はおそらく過大評価されていたことを示唆し、むしろ20億から50億太陽質量程度の値を提案し、大質量ブラックホールを全く含まないモデルでもデータを合理的に適合できることを示した。2016年には、適応光学を用いて銀河の中心をはるかに高い分解能で調べた2つの独立したチームがこの下方修正を確認した。ウォルシュとその同僚たちは、ジェミニ北望遠鏡のNIFS分光器で（49±16）億太陽質量の質量を得た。一方、グラハムとその同僚たちは、ケッキ望遠鏡で約12億太陽質量という上限質量を見出し、ブラックホール/スフェロイド比はわずか0.45%で、非矮小楕円銀河で観察される通常の範囲（0.1%から5.0%）に適合すると判断された。クラニョヴィッチとその同僚たち（2018年）によるその後の研究は、同じ高分解能データにJAM型動力学モデリングを用いて、45億から49億太陽質量に近い質量を確認した。

注：
NGC 1277のブラックホールの質量は、現在も活発な科学論争の的である。公表された推定値は、用いられた方法と角度分解能（低分解能長スリット分光、シュヴァルツシルトモデリング、異方性ジーンズモデリング、適応光学）に応じて、約12億から170億太陽質量まで変動する。一般メディアでしばしば引用される170億という値は、2012年の最初の発表に対応し、もはや入手可能な最良の推定値とは見なされていない。より高い角度分解能での観測（Walsh et al. 2016; Graham et al. 2016; Krajnović et al. 2018）は、数倍低い質量に収束している。しかし、最も低い値でさえ、ブラックホール質量–スフェロイド光度関係が予測するものよりはるかに高いままであり、これがこの天体の科学的興味を維持している。

ブラックホールNGC 1277の例外的特徴

常識外れの性質

NGC 1277の中心にある超大質量ブラックホールは、注目すべき性質を示す：

• 修正された質量：採用する方法に応じて12億から50億太陽質量（2012年に最初に発表された170億に対して）
• ブラックホール/スフェロイド比：研究に応じて0.45%から2%程度（2012年に発表された全恒星質量の~14%に対して）、典型的な~0.1%~0.5%と比較して
• 事象の地平線：採用する質量に応じて地球-太陽距離の25倍から100倍程度
• 降着円盤：例外的な質量にもかかわらず活動は低調
• 暗黒物質：5有効半径まで検出された割合はほぼゼロ（下記の専用章を参照）

NGC 1277の超大質量ブラックホールの天体物理学的含意

NGC 1277における超大質量ブラックホールの発見の天体物理学的含意は深く、その質量の下方修正後もなお、銀河天体物理学のいくつかのパラダイムに疑問を投げかけている。

ブラックホール-銀河共進化関係への疑問

標準モデルでは、銀河とその中心ブラックホールは共に進化する。ブラックホールの質量は、恒星速度分散（M–σ関係）、バルジ質量、あるいはスフェロイド光度といった銀河の全体的性質と相関している。 たとえ数十億太陽質量に修正されたとしても、NGC 1277のブラックホールは、研究によれば、質量-光度関係が予測するものより1桁以上上回ったままであり、一方で中心速度分散約400 km/sに対するM–σ関係とは整合している。この持続的な不一致は、以下のことを示唆している：

• 銀河が形成以来恒星質量を失った（「貧血」銀河）、
• またはブラックホールが異常に速く成長した、
• または古典的な共進化関係を逃れる残存銀河（レリック銀河）のクラスが存在する。

「巨大原始ブラックホール」の可能性

いくつかのモデルは、NGC 1277のような銀河のブラックホールが非常に早く（z > 2）、銀河形成の最初の段階で、急速な成長に有利な非常に密な環境で形成されたことを示唆している（持続的な準エディントン降着、急速な合体など）。 したがって、NGC 1277はクエーサー時代の化石ブラックホールを抱えている可能性があり、それ以来比較的不活性のままである。より異端的で議論の的となっている代替仮説は、このブラックホールが2つの巨大楕円銀河の合体の際に隣接する銀河NGC 1275から放出され、その後NGC 1277に捕獲されたというものである。

化石銀河：若い宇宙の証人

NGC 1277はコンパクト銀河であり、レンズ状で、星形成が非常に不活発で、古い恒星集団（> 100億年）と少ないガスを持つ。これがそれを残存銀河（レリック銀河）にしている：

• z ≈ 2以来ほとんど進化していない、
• 大質量銀河の形成時代以来、合体したり質量を大幅に増やしたりしていない。

過小評価されている極端なブラックホールの統計

NGC 1277のような他のコンパクトで古い銀河も同様に不釣り合いなブラックホールを抱えているならば：

• 局所宇宙におけるブラックホールの質量密度（Ω_BH）の統計的推定は過小評価されている可能性がある。
• これは大質量銀河系外源からの重力波検出の予測（例えばLISAによる）に影響を与える。

強曲率重力テスト

NGC 1277のブラックホールの極端な質量は、強重力領域における一般相対性理論を検証する候補にしている：

• 中心付近の恒星力学への影響、
• 輝線の相対論的プロファイル（円盤が存在する場合）、
• 理論的なレンズ・シリング歳差（ここでは観測されていないが、一般的な枠組みでは興味深い）。

2023年の重大な発見：暗黒物質をほとんど含まない銀河

5有効半径までの前例のない観測

2023年、セバスティアン・コメロンとイグナシオ・トルヒーリョが率いるチームは、Astronomy & Astrophysicsに、マクドナルド天文台の2.7m望遠鏡のジョージ・アンド・シンシア・ミッチェル分光器（GCMS）を用いたNGC 1277の恒星運動学の詳細な研究を発表した。この研究は、銀河を前例のない6キロパーセクの半径、つまり有効半径の約5倍まで調べることを可能にし、以前の研究よりもはるかに広い範囲をカバーした。

異方性ジーンズ動力学モデリングを用いて、チームはNGC 1277の暗黒物質の割合がこの体積内で5%未満（2シグマ信頼水準で）にとどまることを突き止めた。一方、標準宇宙論モデル（ΛCDM）は、このような半径で観測されるこのタイプの大質量楕円銀河に対して、はるかに高い割合、約60%を予測している。この結果は、より限られた体積で得られた古い兆候を確認し、拡張するものである。それによれば、銀河の中心領域で観測される恒星運動学を説明するのにほとんどまたは全く暗黒物質は必要とされない。

なぜそのような異常が？

著者らは2つの主要な説明を提案している。互いに排他的ではない：NGC 1277がペルセウス銀河団内で潮汐効果を受けるなどして非常に早く暗黒物質ハローを失ったか、あるいはガスに富む原始銀河断片間の高速衝突（約2000 km/s）の際に形成された場合、暗黒物質はバリオンよりも散逸性が低いため、形成中のガス円盤から分離したであろうというシナリオで、最初から暗黒物質を持たなかったかである。

この大質量ハローの欠如は、NGC 1277が普通の大質量楕円銀河に特徴的な広がった恒星エンベロープを決して降着しなかった理由も説明するであろう。実質的な暗黒物質ハローがなければ、通常、衛星銀河が降着によって捕獲されるのを可能にする動的摩擦が大幅に減少し、これが約100億年にわたるこの残存銀河の「凍結された」性格を説明するであろう。

注：
比較のために、この研究は、同じ機器と同じ視野で観測された隣接する銀河NGC 1278が、通常の大質量楕円銀河であり、逆に標準モデルの予測に完全に一致する暗黒物質の割合を示していることを強調している。これは方法論的バイアスではなく、NGC 1277の場合の特異性を強化するものである。

NGC 1277の超大質量ブラックホールの観測方法

相補的技術

このシステムの研究は、いくつかの相補的な観測技術に依存している。 各方法は同じものを「見る」わけではない。あるものは恒星の動きを測定し、別のものは光の分布を、また別のものはガスの動力学を測定する。これらの情報を照合することによって、天体物理学者は不可視のもの、すなわち中心ブラックホールの質量と暗黒物質の分布を調べることができる。

具体的には、分光法は光を波長に分解して分析する。吸収線または輝線のドップラーシフトを測定することにより、視線に沿った恒星またはガスの速度を推測する。中心付近の恒星が速く動くほど、それらを引き付ける隠れた質量は大きい。測光法は、銀河の構造を再構築するために光度の分布を測定する。