ブラックホールは宇宙で最も極端な物体の一つですが、すべてが同じというわけではありません。天文学者は主に質量に基づいて、恒星質量、中間質量、超大質量、そしてまだ理論上の原始ブラックホールという4つの広いカテゴリーに分類しています。それぞれのタイプは、宇宙がどのように時間をかけて構造を構築するかについて異なる物語を語っています。
恒星質量ブラックホール：最も一般的な種類
恒星質量ブラックホールは、太陽の約20倍以上の質量を持つ恒星が核燃料を使い果たし、その中心核が自身の重力で崩壊すると形成されます。崩壊は超新星爆発を引き起こし、残るのは重力の引力が光さえも逃がさないほど高密度な天体です。
これらのブラックホールは、通常、太陽質量の数倍から約100太陽質量までの範囲です。銀河中に散らばっており、伴星からガスを引き寄せる連星系でよく見られます。落下するガスは加熱されてX線を放射し、天文学者がほとんどの恒星質量ブラックホールを検出する方法となっています。1970年代に発見されたCygnus X-1は、広く受け入れられた最初のブラックホール候補であり、今でも教科書的な例として挙げられています。
天文学者は、天の川銀河だけでも最大1億個の恒星質量ブラックホールが存在すると推定していますが、確認されているのは約50個のみです。LIGOやVirgoのような重力波観測所は、これらの天体のペア間の合体を定期的に検出し、その集団をマッピングするのに役立つ正確な質量とスピンの測定値を提供しています。
超大質量ブラックホール：銀河の巨人
スケールの反対側には、数十万から数十億太陽質量の範囲を持つ超大質量ブラックホールが存在します。これらの天体は、天の川銀河を含むほぼすべての大きな銀河の中心に位置しています。
我々の銀河の中心にある超大質量ブラックホール、Sagittarius A-starの質量は約400万太陽質量です。Holmberg 15A銀河の中心にあるブラックホールは少なくとも400億太陽質量で、既知の最も重いものの一つに数えられます。
超大質量ブラックホールがどのようにしてそれほど大きく成長するのかは、天体物理学における未解決の疑問です。いくつかは、初期宇宙における巨大なガス雲の直接崩壊によって形成された可能性があります。他のものは、より小さなブラックホールとの繰り返しの合体や、周囲のガスや恒星を着実に捕食することによって成長したかもしれません。観測によると、一部の超大質量ブラックホールはビッグバンから10億年も経たないうちにすでに存在しており、形成理論に急速な初期成長を説明することが求められています。
超大質量ブラックホールが大量の物質を活発に消費しているとき、それらは宇宙で最も明るい天体のいくつか、すなわちクエーサーと活動銀河核を動かしています。Event Horizon Telescopeは、M87と天の川銀河の超大質量ブラックホールをターゲットにすることで、ブラックホールの影の最初の直接画像を生成しました。
中間質量ブラックホール：失われた環
恒星質量と超大質量のカテゴリーの間には、長い間天文学者を悩ませてきた集団があります。約100から10万太陽質量の範囲の中間質量ブラックホールは、多数存在すると予想されています。宇宙時間を通じての恒星質量ブラックホール間の衝突は、サイズの連続体を生み出したはずです。しかし、確認された例はまだまれです。
いくつかの有望な候補が特定されています。ハッブル宇宙望遠鏡は、推定質量約5万太陽質量の3XMM J215022.4-055108という天体を撮影しました。2019年には、LIGOがGW190521を検出しました。これは2つのブラックホールの合体からの重力波信号で、142太陽質量の最終天体を生成し、まさに中間範囲に位置しています。
科学者たちは、中間質量ブラックホールが超大質量ブラックホールが成長する種かもしれないと考えています。それらを十分に見つけることができれば、進化の全体像における重要なギャップを埋めることになります。それらは、球状星団や矮小銀河などの高密度の恒星環境に潜んでいると考えられており、そこでは繰り返しの合体とガス降着によって徐々に質量が蓄積されていきます。
原始ブラックホール：宇宙の化石
4つ目のカテゴリーは依然として仮説の段階です。原始ブラックホールは、恒星の崩壊からではなく、ビッグバン後の最初の数秒間の密度ゆらぎから形成された可能性があります。その当時、宇宙はまだ物質の塊が直接ブラックホールに崩壊するのに十分に高温で高密度でした。
これらの天体は、ペーパークリップ1個分にも満たない質量から10万太陽質量まで、膨大な質量の範囲に及ぶ可能性があります。最も小さな原始ブラックホールは、とっくにホーキング放射によって蒸発してしまったでしょうが、より大きなものは今日も存在している可能性があります。
原始ブラックホールはこれまで一度も確認されておらず、理論研究の最も活発な分野の一つとなっています。一部の宇宙論学者は、それらが宇宙の暗黒物質の一部または全部を構成する可能性があると提案しています。また、最初期の超大質量ブラックホールが成長する種であった可能性を示唆する者もいます。今後のサーベイや重力波観測がこの疑問の解決に役立つかもしれません。
これらのカテゴリー間の境界は固定されていません。科学者たちは、あるタイプがどこで終わり、別のタイプがどこから始まるのかを再評価し続けています。それらすべてを結びつけているのは、同じ基本的な物理学です。重力が勝利し、通常の宇宙のルールがもはや適用されない時空の領域です。
画像：
- 伴星から物質を引き寄せる恒星質量ブラックホールの想像図（NASA）
- 超大質量ブラックホールSagittarius A-starの多波長合成画像（NASA/ESA/CXC/STScI）
- 中間質量ブラックホール候補3XMM J215022.4-055108のハッブル画像（NASA/ESA/D. Lin）
- 原始ブラックホール形成の概念図（NASA）
雅子 訳