超新星爆発を起こさず巨大星が消失、ブラックホール形成を初観測

超新星爆発なしに星が丸ごと崩れブラックホールに

巨大な星が爆発せずに徐々に暗くなり消える現象が観測され、星がブラックホールに変わる過程が初めて直接確認された。

米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）の研究員、キシャレイ・デ氏を含む国際研究チームはアンドロメダ銀河で巨大な星が超新星爆発なしにブラックホールを形成した証拠を発見し、研究結果を国際学術誌『Science』に2月12日（現地時間）発表した。

重い星は寿命を迎えると核が崩れ、宇宙で最も明るい爆発である「超新星爆発」に至る。これまで理論的には核が崩れても外層を押し出す力が不足すれば星の物質が内側に戻り落ちてブラックホールが作られると予測されていた。これが「失敗した超新星」が生じる過程だ。失敗した超新星は星が爆発する代わりに静かに消えるため観測が極めて難しかった。

研究チームは米航空宇宙局（NASA）の赤外線観測衛星（NEOWISE）でアンドロメダ銀河を観測している際に「M31-2014-DS1」と名付けられた星から異常信号を捉えた。M31-2014-DS1は太陽より約10万倍明るい超巨星で、2014年から赤外線の明るさが約50%増加した後、急激に暗くなり始めた。

NASAのハッブル宇宙望遠鏡などで追跡観測した結果、この星は2017年から2022年の間に可視光の明るさが1万分の1に減少し、全体の明るさも10分の1に落ちた。2023年には可視光でこれ以上観測されなかった。超新星爆発の痕跡は全く発見されなかった。太陽より10万倍明るい星が爆発なしに静かに消えた。

星が暗くなった理由には二つの可能性がある。星の前に塵が積もり光を遮った場合と、星自体が発するエネルギーが減少した場合だ。塵に遮られたのであれば可視光は減っても赤外線はむしろ明るくなるはずだ。しかし観測結果では可視光と赤外線の両方が暗くなった。塵が星を遮ったのではなく、星が実際にエネルギーを失っていることを意味する。

研究チームの分析によればM31-2014-DS1は核が崩れる際に生じた衝撃波が一般的な超新星より1,000倍以上弱く外層を押し出せなかった。外層の大部分が宇宙に弾き出されず内側に戻り落ちた。研究チームはこうして積もった質量がM31-2014-DS1が耐えられる限界を超えブラックホールが形成されたと推定した。

赤外線の明るさが一時的に増加した理由も説明された。核が崩れる際に星の外層を構成する物質が少量外に放出され冷えながら塵の殻を形成し赤外線領域で明るく観測されたのだ。塵が凝縮するのにかかる理論的時間は約900日で、観測された赤外線の明るさの最大時点と一致した。理論的予測と観測結果が一致し、この星が爆発なしにブラックホールに変わったという解釈に信憑性が高まった。

今回の発見は重い星の最期とブラックホール形成の関係を理解する上で重要な手がかりとなる見込みだ。キシャレイ・デ研究員は「失敗した超新星の観測事例が極めて稀であるため、どの星がブラックホールを作るのかに関する観測的制約がほとんどなかった」と述べた。