クエーサー

銀河全体より明るく輝くほど猛烈に食べるブラックホール

ステップごとに

星ではなかった星

1963 年、マールテン・シュミットは 3C 273 という暗い光の点が星ではないことを発見しました。その光は約 20 億年の旅のあいだに、膨張する宇宙によって引き伸ばされていたのです。

3C 273 は最初、電波の源として知られていました。ケンブリッジ第 3 カタログの 273 番目です。1962 年に月がその前を横切り、電波が途切れる時刻を測ることで位置が突き止められました。そこにあったのは 13 等級のありふれた星に見えるもので、そばにかすかな筋がありました。

そのスペクトルは謎でしたが、シュミットはそれがおなじみの水素のパターンで、赤い側へ 16% 近くずれていることに気づきました。そんなことができるのは宇宙の膨張だけで、その光は約 20 億年旅してきたことになります。これほど遠くからこれほど明るいものは、途方もない力を持つはずです。こうした天体は準恒星状電波源、つまりクエーサーと名づけられました。

天の川銀河 100 個より明るい

3C 273 は太陽 4 兆個分、天の川銀河全体の約 100 倍の明るさで輝き、数日のうちに明滅します。その光はすべて、差し渡し数光日しかない領域から来ています。

3C 273 のまわりには巨大な楕円銀河がありますが、ふつうの写真では中心のまぶしさに埋もれてしまいます。日食で月が太陽を隠すように中心の光を隠すコロナグラフを使って、2024 年にハッブルはようやくそれをはっきり捉えました。

もし 3C 273 が 30 光年先にあったら、私たちの空で太陽と同じくらい明るく輝くでしょう。それでもその光は数日で変わります。光が横切るより速く全体が一度に明るくなることはできないので、光源は差し渡し数光日、ほぼ太陽系の大きさしかありません。

銀河は巨大楕円銀河の単純なモデルで描いています。中心がどれだけ明るいかは観測に合わせています。

食べているブラックホール

中心には太陽約 2 億 6000 万個分のブラックホールがあります。渦を巻いて落ちるガスは円盤の中で押しつぶされて熱せられ、銀河のすべての星を合わせたより明るく輝きます。

ほとんどすべての大きな銀河の中心には超大質量ブラックホールがあり、その多くは静かです。クエーサーとは、餌を与えられているブラックホールです。銀河のガスが、しばしば別の銀河との衝突でかき乱され、飲み込みきれない速さで落ちていくのです。

ガスはまっすぐには落ちられません。排水口のまわりの水のように平たい円盤に渦を巻き、こすれ合ってエネルギーを失い、熱くなりながらゆっくりと内側へらせんを描きます。ブラックホールの影とまわりで曲がる光は一般相対性理論のとおりに、円盤の筋は描いたものです。

最も激しい光

ブラックホールの近くで、円盤は主に紫外線で輝きます。落ち込むことでガスの質量の約 10 分の 1 が光に変わります。星の中の核融合の 14 倍です。

ブラックホールへ落ちる物質は加速し、熱くなります。円盤のガスが、地平面の数倍の大きさにある最も内側の安定軌道に達するころには、質量の約 10 分の 1 が熱と光に変わっています。ブラックホールが速く自転していれば、さらに多くなります。

太陽は水素をヘリウムに融合させても、燃やした質量の 0.7% しかエネルギーに変えません。だから食べているブラックホールは、宇宙で最も強力な持続する光なのです。円盤のこちらへ回ってくる側は明るく青く見えます。光速のかなりの割合で動くガスは、光を前方へ集中して放つからです。

紫外線は目に見えません。円盤はその温度の色で描いています。

速い軌道を回る雲

その外側では、ガスの雲が中心から約 145 光日のところを秒速約 3,000 km で回っています。2018 年に GRAVITY という装置がその回転を捉え、ブラックホールの質量を量りました。

クエーサーの光には幅の広い線が見えます。それぞれの元素の色がにじんでいるのは、それを出すガスが秒速数千 km で、一部はこちらへ、一部は遠ざかるように動いているからです。これらの雲は、内側の円盤に照らされています。

2018 年、ESO の超大型望遠鏡の 8 m 望遠鏡 4 台を 1 つにつなぐ GRAVITY は、3C 273 の雲の光がどこから来るかを測り、雲が回転しているのを捉えました。片側はこちらへ近づき、反対側は遠ざかっています。その距離での回る速さから、ブラックホールの質量は太陽約 2 億 6000 万個分とわかりました（GRAVITY Collaboration 2018）。

雲の色は描いたものです。近づくものは青、遠ざかるものは赤です。回転は速めてあり、実際には 1 周に何世紀もかかります。

銀河を横切るジェット

ガスの一部は決して落ちません。ほぼ光速で軸に沿って放り出され、長さ 20 万光年のジェットになります。天の川銀河の幅の 2 倍です。

ブラックホールの近くでは、回転する円盤とブラックホールに巻き上げられた磁場が、ガスの一部をほぼ光速で軸に沿って放り出します。クエーサーの約 10 個に 1 個は、電波で明るく輝くほど強いジェットを持っています。

3C 273 のジェットはふつうのハッブル写真にも写っていて、長さ約 20 万光年の筋に見えます。その中のこぶは光より速く外へ飛び出すように見えますが、それは錯覚です。ほぼ光速でほとんどまっすぐこちらへ向かっているので、光が詰まって届くのです。反対向きの双子のジェットは暗すぎて見えません。

ジェットは、ハッブルの写真での見え方のように淡い青で描いています。

いちばん明るいもの

知られている最も明るいクエーサー J0529-4351 は、太陽 500 兆個分の明るさで輝きます。太陽 170 億個分のそのブラックホールは、毎日太陽 1 個分以上のガスを飲み込んでいます。

J0529-4351 はあまりに明るいので、数十年にわたり掃天観測で星として記録されていました。2024 年、クリスチャン・ウルフ率いるチームは ESO の超大型望遠鏡を使い、それが 120 億年以上前に光が出発したクエーサーであることを示しました。

そのブラックホールは太陽の約 170 億倍の質量で、今も成長しています。それを養う円盤は差し渡し約 7 光年と知られている中で最大で、太陽 500 兆個分以上の明るさで輝いています（Wolf ら 2024）。

円盤は測定された大きさで描いています。中心のブラックホールの影は、この縮尺では小さすぎて見えません。

クエーサーの時代

クエーサーが最も多かったのは約 100 億年前、銀河が若くガスに満ちていたころです。その後ほとんどが餌を使い果たし、明るいものは今では珍しくなっています。

光が届くには時間がかかるので、最も遠いクエーサーは最も古いものでもあります。距離ごとに数えると、明るいクエーサーは 100 億〜110 億年前には今より約 100 倍多かったことがわかります。

当時の銀河はガスが豊富でよく衝突し、それがガスを中心へ押し込みました。ガスが星になったり吹き飛ばされたりするにつれ、ほとんどのブラックホールは静かになりました。今日の巨大銀河の多くには、かつてのクエーサーの眠るブラックホールがあります。

グラフは掃天観測で見つかった形をおおよそ示しています。ここでのクエーサーの暗くなり方は描いたものです。

私たちのブラックホール

天の川銀河のブラックホール、いて座 A* は太陽 430 万個分の重さで、ほとんど食べていません。しかし銀河の上下にある 2 つの巨大なガンマ線の泡は、数百万年前にそれが燃え上がったことを示しています。

いて座 A* は 3C 273 のブラックホールより約 60 倍軽く、ほとんど飢えています。明るさは太陽数百個分ほどしかなく、それも主に電波と X 線です。

2010 年、フェルミ宇宙望遠鏡は、銀河の中心の上下それぞれ約 25,000 光年まで届く、2 つの巨大なガンマ線のふくらみを発見しました。その大きさと形は、数百万年前に中心から爆発があったことを示しています。いて座 A* が最後にたっぷり食べたときかもしれません。

泡は目には見えません。ここでは紫で描いています。天の川銀河は単純なモデルで描いています。

決して動かない灯台

クエーサーはあまりに遠いので、決して動かないように見えます。天文学者はその何千個もを、空のあらゆる位置を測るための不動点として使っています。

星は銀河の中を動くので、年月とともに空を漂っていきます。数十億光年かなたのクエーサーはその場にとどまるので、最高の目印になるのです。

探査機の誘導や地球の自転の追跡に使われる国際天文基準座標系は、世界中の電波望遠鏡が測った 4,536 個の遠い電波源の位置の上に築かれており、その大半はクエーサーです（ICRF3、2018）。探査機 Gaia は、約 20 億個の星の地図を約 160 万個のクエーサーに結びつけています。

輪は地図のようにクエーサーの位置を示しています。輪の中の点は描いたものです。

この物語の天体

TON 618