天文学者たちは、天の川銀河に隠れたブラックホールや中性子星の探索に現実的な検証を突きつけた。カーネギー天文台のジョシュア・サイモン率いるチームは、欧州宇宙機関（ESA）の星図作成衛星ガイアが暗いコンパクト天体を内包する可能性があるとフラグを立てた31個の連星系に対して分光学フォローアップ観測を実施した。彼らの結論：それらの候補のほとんどは偽陽性だった。
本研究成果は、アストロフィジカル・ジャーナルに掲載され、真の宇宙の宝物を統計的ノイズから区別する方法を学ぶ上で、厳しいながらも貴重な一歩となる。
ガイアカタログが約束したもの
ガイアは2013年の打ち上げ以来、約20億個の星の位置、運動、性質をマッピングしてきた。第3次データ公開（DR3）には連星系（共通の重心の周りを公転する星のペア）のカタログが含まれていた。その中には、一方の天体が不可視だが大質量であるように見える系——ブラックホールまたは中性子星——が存在した。
考え方は単純明快だった。可視の星が見えない伴星の重力に引かれて揺れるとき、天文学者はその伴星の最小質量を計算できる。その質量が太陽質量の約2.3倍を超える場合、伴星は白色矮星としては重すぎ、通常の星としてはコンパクトすぎる。それは中性子星かブラックホールでなければならない。ガイアのアストロメトリ連星カタログと分光連星カタログは、その記述に適合する数十の候補を特定し、天体物理学コミュニティに興奮をもたらした。
これらの候補のうち3つは、すでに地上フォローアップ観測で確認されている：恒星質量ブラックホールであるガイアBH1とガイアBH2、そして中性子星ガイアNS1である。これらが今のところ唯一のゴールドスタンダードな発見である。
新たな研究が明らかにしたこと
サイモンチームは、チリのマゼラン望遠鏡、リック天文台の自動惑星探査機、ハワイのケック天文台など、世界で最も強力な望遠鏡のいくつかを使用し、31個の候補システムの高解像度スペクトルを数年かけて取得した。星の視線速度（地球に向かう、または地球から遠ざかる速度）が時間とともにどのように変化するかを測定することで、12のシステムについて完全な軌道解を導出した。
結果は衝撃的だった。ガイアが軌道解を持つとフラグを立てた、暗黒伴星質量が太陽質量の2倍を超える全ての候補について、ガイアの軌道は誤っていることが判明した。唯一の例外は、既に確認されているガイアBH1、ガイアBH2、ガイアNS1であった。
いくつかのケースでは、暗黒伴星と思われていたものは実際には普通の低質量星か白色矮星だった。あるケースでは、そのシステムは二重線分光連星——互いに周回する二つのごく普通の星——であり、ブラックホールでは全くなかった。偽陽性はおそらく、ガイアの自動処理が、データが偶然高質量伴星のように見えた境界ケースにフラグを立てたために生じたものと思われる。
チームは、将来の探索ではより保守的な基準——ガイアカタログから候補を選択する際に、信号有意度10以上、適合度パラメータ4未満を要求すること——を使用することを推奨している。これらの基準を適用すれば、偽陽性の数を劇的に減らすことができるだろう。
有望な手がかりが1つ残されている
全ての希望が失われたわけではない。サンプル中の11個の加速星——DR3データで空全体と視線方向に大きな加速を示すが完全な軌道解を欠くシステム——の中に、1つの天体が際立っていた。ガイアDR3 3689209059942075008として知られるこの天体は、最小伴星質量が太陽質量の1.16倍で、不確実性は非常に小さい。これは、最も重い可能性のある白色矮星と最も軽い中性子星のちょうど境界線上にある。超高密度白色矮星か中性子星のいずれかであり、結論を出すにはさらなる観測が必要となる。
このシステムは、主要な連星カタログほど注目されていないガイアの加速度カタログが、未発見のコンパクト天体をまだ秘めている可能性を示唆している。加速度データはより広く、厳しいフィルタリングを受けていない星の集合をカバーしており、軌道カタログが見逃したより広い連星を潜在的に含んでいる。
これが重要な理由
伴星から積極的に物質を引き寄せていない休眠状態のブラックホールや中性子星は、極めて発見が難しい。それらは自ら光を放たない。それらを検出する唯一の方法は、近くの星への重力影響を通じてである。ガイアは、これらの微細な信号を全天にわたって系統的にスキャンできる最初の観測機器である。
ガイアBH1（1,560光年彼方）、ガイアBH2、ガイアNS1を含む確認された発見のそれぞれが、我々の銀河近傍にどれだけ多くのブラックホールと中性子星が潜んでいるかについての知識を書き換えてきた。推定では、天の川銀河には1億個の恒星質量ブラックホールと10億個の中性子星が存在する可能性がある。広い非相互作用連星の中からそれらのほんの一部でも見つけることは、大質量星がどのように進化するか、超新星がどのように起こるか、連星系がどのようにそれらの violent なイベントを生き延びるかを理論家が理解する助けとなる。
今回の論文はコンパクト天体の新たな収穫をもたらすものではない。しかし、それと同等に価値のあるものを提供している：それらを見つけようとする誰もを待ち受ける罠と落とし穴の地図である。ガイアの今後の第4次データ公開（DR4）を利用するものを含む将来の探索は、同じ行き止まりを回避できるようになる。
「我々は新たに確認されたブラックホールまたは中性子星の伴星は発見しなかった」と著者らは結論に記している。しかし、加速度カタログは「コンパクト天体を含む追加の広連星の、ほとんど未探査の源泉を提供する可能性がある」と指摘している。
探索は続く。
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雅子 訳