中間質量ブラックホール

中間質量ブラックホール（IMBH）は、質量が100から10万（10 ² –10 ⁵）太陽質量の範囲にあるブラックホールの一種で、恒星ブラックホールよりは大幅に大きいが、10万から10億（10 ⁵ –10 ⁹）太陽質量を超える超大質量ブラックホールよりは小さい。^{[2] [3] [4]間接的なガス雲速度と降着円盤スペクトルの観測に基づき、}天の川銀河やその近傍で中間質量ブラックホールの候補天体がいくつか発見されている。

2019年5月21日3時2分29秒UTCに発生し^[5]、2020年9月2日に発表された重力波信号GW190521 ^{[6] [7] [8]}は、2つのブラックホールの合体によって生じたものである。それぞれの質量は太陽の85倍と65倍で、合体して太陽の142倍の質量を持つブラックホールを形成し、8倍の質量が重力波として放射された^{[9] [6] [7] [8]}

それ以前は、IMBHの最も強力な証拠は、いくつかの低光度の活動銀河核から得られました。^{[10]これらの}銀河は活動的であるため、ほぼ確実に集積ブラックホールを含んでおり、場合によっては、反響マッピングの技術を使用してブラックホールの質量を推定できます。たとえば、約4 Mpcの距離にある渦巻き銀河 NGC 4395には、約3.6 × 10 ⁵太陽質量の質量を持つブラックホールが含まれているようです。^{[11] [関連性あり? ]}

中質量ブラックホールの最新の最大のサンプルには、スローンデジタルスカイサーベイ^{[13]によって収集された銀河の100万の光学スペクトルの高度な分析によって選択された305の候補[12]}が含まれています。これらの候補のうち10個からX線放射が検出され^[12]、中質量ブラックホールとしての分類が確認されました。

近傍銀河の超高輝度X線源（ULX）の中には、質量が太陽の100～1000倍のIMBHであると考えられているものがある。^[14] ULXは星形成領域（例えば、スターバースト銀河M82 ^[15]）で観測されており、これらの領域で観測される若い星団と関連しているように思われる。しかし、伴星の光学スペクトルの分析による動的質量測定によってのみ、ULXのコンパクトな集積源としてのIMBHの存在を明らかにできる。

いくつかの球状星団には、中心付近の恒星の速度測定に基づいて、中質量ブラックホールが存在すると主張されている。図には候補となる天体が1つ示されている。しかし、主張されている検出例はいずれも精査に耐えていない。^{[10]たとえば、図に示されている天体}M31 G1のデータは、大質量の中心天体がなくても同様によく適合する。^[16]

IMBHの存在のさらなる証拠は、IMBHとコンパクトな残骸または別のIMBHを含む連星から放出される重力放射の観測から得られる。^{[17] [18]}

最後に、M-シグマ関係は、低光度銀河に¹⁰⁴から106^太陽質量のブラックホールが存在することを予測している。 ^[19] M-シグマ関係の予測による最小のブラックホールは、わずか約50,000太陽質量のRGG 118銀河の核である。^[20]

2004年11月、天文学者のチームが、いて座A*から3光年離れた天の川銀河で最初の中質量ブラックホールであるGCIRS 13Eを発見したと報告した。^{[22]太陽質量の1,300倍のこの中質量ブラックホールは、7つの星のクラスター内にあり、}銀河中心 によって剥ぎ取られた巨大な星団の残骸である可能性がある。この観察は、超大質量ブラックホールは近くの小さなブラックホールや星を吸収して成長するという考えを裏付けるものかもしれない。しかし、2005年にドイツの研究グループは、中質量ブラックホールが存在すると言われている星団の力学研究に基づき、銀河中心近くに中質量ブラックホールが存在するかどうかは疑わしいと主張した。^[23]銀河中心近くの中質量ブラックホールは、超大質量ブラックホールの周りを周回する星への摂動を通じて検出することもできる。^[24]

2006 年 1 月、アイオワ大学のフィリップ・カーレット率いるチームは、 NASA のロッシ X 線タイミング エクスプローラーを使用して位置を特定した中質量ブラックホール候補からの準周期振動を発見したと発表しました。候補であるM82 X-1は、大気をブラックホールに放出している赤色巨星によって周回されています。 ^[25]振動の存在も、システムの軌道周期としての解釈も、科学コミュニティの他の部分では完全に受け入れられていません。主張されている周期は約 4 サイクルに基づいているだけであり、これはランダムな変動である可能性があることを意味します。周期が本物であれば、示唆されているように軌道周期か、他の多くのシステムで見られるように降着円盤の超軌道周期のいずれかである可能性があります。^[要出典]

2009年、ショーン・ファレル率いる天文学者チームが、ESO 243-49銀河の中に、周囲に小さな星団を持つ中質量ブラックホールHLX-1を発見した^{[26] 。この証拠は、ESO 243-49がHLX-1の銀河と}銀河衝突を起こし、小さな銀河の物質の大部分を吸収したことを示唆している。

オーストラリアのCSIRO電波望遠鏡のチームは2012年7月9日に、初の中質量ブラックホールを発見したと発表した。^[27]

2015年に日本の慶応大学の研究チームが、非常に広い速度分散を持つガス雲（CO-0.40-0.22）を発見した。^{[28]彼らはシミュレーションを行い、約10万}太陽質量のブラックホールのモデルが速度分布に最も適合すると結論付けた。^[29]しかし、その後の研究では、高速度分散雲と中質量ブラックホールの関係にはいくつかの困難が指摘され、そのような雲は超新星によって生成される可能性があると提案された。^[30] ガス雲と近くの中質量ブラックホール候補のさらなる理論的研究は決定的ではないが、可能性を再燃させた。^[31]

2017年、数千太陽質量のブラックホールが球状星団 47トゥカン座にあるかもしれないと発表された。これは、星団内のパルサーの加速と分布に基づいたものであったが、^[32]その後、これらのパルサーに関する更新されたより完全なデータセットの分析では、これに対する確固たる証拠は見つからなかった。^[33]

2018年、慶応大学の研究チームは、銀河中心付近の目に見えない天体HCN-0.009-0.044の周りを周回する複数の分子ガス流を発見し、それが太陽の32,000倍の質量を持つブラックホールである可能性を示唆した。もしそうだとすれば、この領域で発見された3番目のIMBHとなる。^[34]

2019年の観測では、太陽の66倍と85倍の質量を持つ2つの中質量ブラックホールの合体から生じた重力波イベント（ GW190521 ）の証拠が見つかりました。 ^[37] 2020年9月には、合体したブラックホールの重量は太陽の142倍で、そのうち9倍の質量が重力波として放射されたと発表されました。^{[9] [6] [7] [8]}

2020年、天文学者たちは、地球から約7億4000万光年離れた水瓶座の方向に、3XMM J215022.4-055108と名付けられた中質量ブラックホールを発見した可能性があると報告した。 ^{[38] [39]}

2021年にアンドロメダ銀河の球状星団B023-G78で太陽の10万倍の質量を持つ中間質量ブラックホールが発見され、その論文がarXivにプレプリントとして投稿された。^[40]

2023年に、最も近い既知の球状星団であるメシエ4の固有運動の解析により、中心部に太陽質量の約800倍の過剰質量があることが明らかになりました。この過剰質量は拡張されていないようで、したがって中質量ブラックホールの運動学的証拠と見なすことができます（コンパクトオブジェクト、白色矮星、中性子星、または恒星質量ブラックホールの異常にコンパクトなクラスターを完全に無視することはできませんが）。^{[35] [36]}

2024年7月10日の研究では、球状星団オメガケンタウリの中心にある7つの高速で移動する星を調査し、これらの星が少なくとも太陽の8,200倍の質量を持つ中間質量ブラックホールに束縛されていることを発見しました。^[41]

中質量ブラックホールは、単一の恒星の崩壊では形成できないほど巨大である。恒星ブラックホールは、このような方法で形成されると考えられている。その環境には、銀河の中心で観測される高密度と高速度といった、超大質量ブラックホールの形成につながる極端な条件はない。中質量ブラックホールの形成には、3 つのシナリオが想定されている。1 つ目は、恒星質量ブラックホールとその他のコンパクトな天体が集積によって合体するというものである。2 つ目は、高密度の恒星団内で大質量の恒星が暴走衝突し、衝突生成物が中質量ブラックホールに崩壊するというものである。3 つ目は、ビッグバンで形成された原始ブラックホールであるというものである。^{[42] [43] [44]}

科学者たちはまた、単一の恒星の崩壊を伴う メカニズムを通じて中質量ブラックホールが形成される可能性も検討している。例えば、超新星爆発前のヘリウム核質量が133 M _{☉を超える恒星がブラックホールに直接崩壊する可能性（恒星を完全に破壊する}ペア不安定性超新星を避けるため）があり、そのためには初期の恒星の総質量が260  M _☉を超える必要があるが、そのような高質量超新星残骸を観測できる可能性はほとんどないかもしれない。最近の理論では、中質量ブラックホールの形成につながる可能性のあるこのような大質量の恒星は、若い星団で複数の恒星の衝突によって形成される可能性があることが示唆されている。^[45]

• 対不安定性超新星

• 宇宙の庭でブラックホールの種が消える 2020-08-04ウェイバックマシンでアーカイブ
• スターバースト銀河M82のチャンドラ画像
• ハッブル宇宙望遠鏡による中質量ブラックホールの発見に関するNASAのプレスリリース
• 新しいタイプのブラックホール、ダヴィデ・カステルヴェッキ著、スカイ＆テレスコープ、 2006年4月