ブラックホールの質量は測定できるのか?

・新しい発見をするために、天文学者は中心に超大質量のブラックホールがある渦巻銀河を観測することを計画しています。

・彼らは、2021年に打ち上げられる予定のNASAのジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡からデータを収集します。

・ブラックホールの周りの星の動きを観測することによって、ブラックホールの質量を決定することができます。

過去10年間で、科学者たちは、ほとんどの銀河の中央部に少なくとも1つの超大質量ブラックホールがあることに気づきました。 これらは規則的に進化していますが、理由がわかっていません。 実際、中心部の超大質量ブラックホールに関することはほとんど理解されていません。

NASAのジェイムズウェッブ望遠鏡は、赤外線の視線を中間渦巻銀河NGC4151の中心に向け、新しい情報を抽出します。6200万光年の距離にあるこの銀河は、活発に摂食し、光っている超大質量ブラックホールを含む最も近い銀河の1つです。

銀河は1970年にX線観測衛星ウフルによって最初に検出されました。 それは、中心に超大質量ブラックホール（太陽質量の約4000万倍）になっていて、平均的なスパイラルがありました。

ジェイムズウェッブ望遠鏡（2021年に打ち上げられる予定）は、私たちの宇宙の歴史を研究する予定です。 天文学者のチームは、NGC 4151の中心にあるブラックホールの質量を決定するために使用しようとしています。単なる雑学のように感じるかもしれませんが、ブラックホールがどのように摂食し、周囲の銀河に影響を与えるかを理解するのに役立ちます。 これにより、最終的には宇宙にある多数の銀河についての理解が深まります。

超大質量ブラックホールをどのように計量するのか?

超大質量ブラックホールの質量を測定する方法は多くあります。そのうちの1つは、銀河の中心部にある星の動きを決定することに依存しています。 星の動きは、それに作用する重力の影響を大きく受けるため、星の動きが速いほどブラックホールは重くなると言えます。

これは思っているほど簡単ではありません。NGC4151の超大質量ブラックホールは、物質を貪欲に飲み込んでいます。 このように、降着円盤の周りを渦巻く物質は明るく輝き、近くの星からのかすかな光を圧倒します。

渦巻銀河 NGC 4151 | 提供: NASA/ESA

主鏡はWebbの6.5メートル幅あり、視界が鮮明です。非常に明るいディスクがある場合でも、NGC4151の中央にあるかすかな物体を捉えるのに十分強力です。天文学者は、銀河の1000光年（中央領域を含む）を調べて、15光年のスケールで恒星の動きを把握できると信じています。

この偉業をどのように達成するか?

天文学者は、0.6〜5ミクロンの波長範囲で機能する望遠鏡の近赤外分光器一体型フィールドユニットを使用する予定です。 オブジェクトのスペクトルを分析し、化学組成、質量、温度などの物理的特性を推定します。

この一体型フィールドユニットは、画像内のすべての領域からの光を取り込み、それをレインボースペクトルに分割します。 このタスクを正確に実行するために、Webb望遠鏡は、ラップトップサイズの機器にしっかりと詰め込まれたほぼ100個のミラーを備えています。 このミラーは、空の小さな（正方形の）部分を効率的にストリップに分割し、ストリップからの光を波長で空間的に拡散させることができます。

1つの画像で1000のスペクトルが生成されます。 各スペクトルは、空の特定の領域でのガスと星の新しい洞察、およびそれらの相対的な動きを明らかにします。

Webb宇宙望遠鏡のレンダリング| 提供: NASA

ただし、Webb望遠鏡からのデータだけでは、各星の動きを計算するのに十分ではありません。 このデータは、NGC4151の中心に非常に近い星のセットに関する情報のみです。 チームはコンピューターモデルを使用して、ブラックホールのサイズに比例する星に作用する重力場の力を測定します。

コンピューターモデルは、NGC 4151の実際の星の動きを模倣する何万もの模擬星を生成します。さまざまなタイプのブラックホールをシミュレーションして、観測と完全に一致するものを確認します。

次に、銀河の中心にある（星ではなく）ガスに焦点を当てた別の手法と結果を比較します。 どの方法を適用しても問題ありません。 彼らが同じブラックホールを観測している限り、結果は同じであるはずです。