Why do black hole flares die out? It may be down to how stars spin

ブラックホールが星に繰り返したかみつく現象の謎が解けた。シラキュース大学の研究チームが、星の自転速度がこの過程で観測されるフレア（閃光）の減光パターンを説明する鍵であることを突き止めた。超大質量ブラックホール周辺における星と重力相互作用の理解が大きく進展し、銀河進化に関する知見も得られている。

銀河中心に存在する超大質量ブラックホールに接近する星のうち、いくつかは完全に破壊される。この「スパゲッティ化」と呼ばれるプロセスでは、潮汐力によって星が細く引き伸ばされ、プラズマがブラックホール周辺を渦巻きながら徐々に吸い込まれていく。潮汐破壊事象（TDE）と呼ばれるこうした現象は、大量の物質がブラックホールに落ちる際に強い放射を生じさせる。しかし、他の星はより幸運であり、ブラックホールに十分に接近してダメージを受けるものの、完全には破壊されない。こうした星は何度もブラックホール周辺を周回し、接近のたびに物質が引き剥がされるという反復型部分潮汐破壊事象（rpTDE）に陥る。

rpTDE観測で注目されていたのが、繰り返す毎回の閃光が次々と暗くなるというパターンだった。このパターンの原因については長く謎のままだったが、研究チームは星の自転に着目することで解明へとたどり着いた。星の質量により内部構造は異なる。低質量星は綿菓子のようにふんわりしているため、ブラックホールの潮汐力の影響を強く受けやすく、深い部分からも物質が引き出される。一方、高質量星は玉ねぎのような層構造を持つため、外層は剥がされるが中心核は抵抗し、繰り返しのたびに剥がされる物質は減り続ける。この構造的な違いだけでも部分的には減光を説明できるが、観測されたrpTDEの四割のケースでは十分ではなかった。

ブラックホールが星に及ぼす重力トルクは、星が接近するたびに自転を加速させる。自転が速まれば、軌道周期は短くなり、次の接近までに損失した物質が補充される時間がより多く確保される。これにより、複数回の接近でもフレアの明るさを保つことができる可能性がある。しかし、星が最初の接近時点で既に高速で自転していた場合、トルクが加速させられる余地は限定的になる。結果として軌道周期の短縮が起こらず、減り続ける物質剥離量による減光を説明することができる。では、星がそもそも高速自転している理由は何か。それは、ほとんどの星が連星系に属しているという事実と関係している。

ブラックホール付近を周回する連星系では、Hills captureという現象が起きる。ブラックホールの強大な重力がこの二つの星を引き裂き、一方の星を放出しながら他方の星を捕捉するのだ。特に密集した連星ペアの場合、この分離過程で捕捉された星は、高速の自転を保ったまま非常に狭い軌道に固定される。研究チームの分析によれば、rpTDE観測で見えたすべての特異性がこうした連星システムの潮汐破壊という根本的な現象で統一的に説明されることが分かった。このメカニズムは、銀河の中心に多数存在する高速自転星の起源を理解するにあたっても重要な意味を持つと考えられる。

こうした基礎研究の進展は、ブラックホール周辺での極限現象を観測する先端的な機器・センサー技術の開発へとつながる可能性を秘めている。X線検出器や超高感度カメラなど、精密観測機器に対するニーズは継続するとみられ、関連する光学部品や検出素子、電子機器メーカーにとって市場の成長機会を示唆する成果である。

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