ブラックホールの究極の自転を測るには、宇宙へ行くしかない

ブラックホールがどのくらいの速さで回転しているかを測定することは、その物理的性質と銀河への影響を理解する上で重要である。バージニア大学のテガン・トーマスと同僚らが最近発表した研究によれば、ブラックホールの最大スピンについて数十年間続いてきた科学的な議論に決着をつけるための新たな手がかりが見えてきた。この研究は、現在の観測技術では二つの対立する理論を区別できないことを示す一方で、近い将来に新しい観測手段がその問題を解決する可能性があることを指摘している。

ブラックホールの最大回転速度をめぐっては、二つの主要な理論がある。1970年代にキップ・ソーンによって提唱された理論では、ブラックホールは光速の99.8%まで回転できるとされており、その回転を制限するのは降着円盤から放出される光子の押し戻す力である。一方、2004年にイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のチャールズ・ガミーとその同僚らによって提唱された理論では、最大回転速度は光速の93.75%であり、強力に磁化されたジェットがブレーキとなって回転を遅くするとされている。

トーマスらは、3次元の一般相対性理論的磁気流体力学シミュレーションを用いて、現在最高の観測機器であるイベント・ホライズン・テレスコープがこれら二つのシナリオを区別できるかどうかを検証した。その結果、望遠鏡の20マイクロ秒角という解像度では、たとえブラックホールが理論的最大値で回転していたとしても、生成される画像はほぼ同一に見え、降着円盤のプラズマのレートも相対論的ジェットも区別できないことが判明した。 しかし、希望はある。

ブラックホール周囲にはフォトンリングという極めて細い光の輪が存在する。これはブラックホールの重力に捕捉された光線が、その周りを一周以上回転して地球に向かって逃げ出したものである。このフォトンリングの正確な形は理論によって異なる可能性があるが、観測に必要とされる感度は5マイクロ秒角程度であり、地上の観測器では到達不可能である。

ここで注目されるのがブラック・ホール・エクスプローラーというNASAのミッションである。このミッションは向こう数年以内に打ち上げられる予定の宇宙望遠鏡で、地球軌道上に配置されてイベント・ホライズン・テレスコープの主要な構成要素と連携することにより、十分な解像度でフォトンリングを観測できるようになるとされている。このミッションの実現により、数十年にわたって続く理論的な論争に、ようやく決着がつく日も近づいている可能性がある。

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