S301、いて座A*を光速の8%で周回——ブラックホールのスピン測定への扉を開く

天の川銀河の中心ブラックホールを、極めて高速かつ至近距離で周回する天体がある。その運動は、巨大な質量だけでなく、回転する物体の物理学を初めて検証可能にするものだ。マックス・プランク地球外物理学研究所（Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics）のチームが、欧州南天天文台（European Southern Observatory, ESO）のVLTIを用いて同定したS301は、いて座A*（Sagittarius A*）から17.8億キロメートル（約12天文単位）の距離を通過する。これは太陽と土星の間隔に匹敵する。その速度は秒速約2万5000キロメートル、すなわち光速の約8%に達する。これまでこの銀河領域で追跡された恒星の中で、これほど高速かつ至近距離を通過したものはない。

S301を銀河中心付近の他の高速星と分かつのは、速度だけではない。その帰結にある。この至近距離では、アインシュタインの一般相対性理論が予測するように、回転するブラックホールが周囲の時空を引きずる——フレーム・ドラッギング（時空の引きずり）、あるいはレンズ・シリング効果（Lense-Thirring effect）と呼ばれる現象が生じる。S301はこの領域の深部を通過するため、その軌道にはいて座A*の回転速度が刻印されるはずだ。これまで既知の恒星では達成不可能だった。

「この星を使って、今後10年以内にブラックホールのスピンを測定したい」と、研究の主著者でマックス・プランク地球外物理学研究所の研究員であるフェリックス・マング（Felix Mang）は述べている。現在、いて座A*の回転を直接測定した例はない。S301がそれを可能にするかもしれない。

おすすめの記事IceCubeが観測した最高エネルギーの幽霊粒子は、塵に隠れた星の工場から来ていた

異なるクラスのS星

いて座A*の周囲には、S星と呼ばれる高速で動く恒星の集団が存在する。過去30年以上にわたってカタログ化され、ブラックホールの重力影響をマッピングするために使われてきた。最も有名なS2は、いて座A*の質量が太陽の400万倍であることを直接証明した最初の星であり、この業績によりラインハルト・ゲンツェル（Reinhard Genzel）とアンドレア・ゲズ（Andrea Ghez）は2020年のノーベル物理学賞を受賞した。S2は最接近時に秒速約7650キロメートル（光速の約2.5%）に達し、16年周期で公転する。

S301は8.7年で完全に1周する——S2の半分以下の時間であり、最接近時の速度はS2の自近点速度の3倍に達する。さらに重要なのは、いて座A*から約12天文単位の距離を通過する点で、これはこれまで知られていたどのS星よりも約8倍近い。この距離では、一般相対論的効果は単に存在するだけでなく、パラナル天文台の装置が年々追跡できる速度で軌道に蓄積される。

発見には、ESOのパラナル天文台で運用されているGRAVITY+が用いられた。GRAVITY+は、元のGRAVITY干渉計の次世代アップグレード版で、口径8.2メートルの望遠鏡4基からの光を合成し、銀河中心の塵に覆われた高密度星団の中で個々の星を分解するのに必要な角度分解能を達成する。複数の観測エポックにわたってS301の位置を追跡することで、チームはその完全な軌道を再構築し、自近点距離と最高速度を十分な精度で確定した。

スピンが重要な理由

いて座A*の質量は何年も前から知られている。しかし質量は、ブラックホールが持つ二つの基本特性の一つに過ぎない。もう一つは電荷だが、現実の環境では天体物理学的ブラックホールはすぐに電荷を失うと予想される。残る特性がスピンである。アインシュタインの場の方程式のカー解によれば、回転するブラックホールは角運動量を持ち、その回転は質量だけでは生じない形で周囲の時空の幾何学を形成する。

いて座A*の回転速度と方向は、その事象の地平面の構造と、近傍にあるすべてのものの軌道を決定する。間接的な手法——2022年にEvent Horizon Telescopeが撮像した降着円盤の放射をモデル化する方法——による現在の推定では、おそらく中程度の速度で回転していると示唆されるが、不確実性は許容範囲の大部分をカバーするほど大きい。S301の軌道歳差運動からの測定は、初めての直接決定となる。

レンズ・シリング効果は、回転する天体の周りを公転する星の軌道面が、ブラックホールのスピンパラメータに比例した速度で歳差運動（ゆっくりと回転）することを引き起こす。S301について、チームはこの歳差運動が、今後数年間のGRAVITY+による観測で検出可能なレベルに蓄積されると計算している。

データがまだ確定しない点

いくつかの重要な限界がある。S301の軌道——速度、周期、自近点距離——は現在十分に確立されている。フレーム・ドラッギングによる歳差運動はまだ検出されていない。これは将来の測定であり、星がいて座A*の周りをさらに数回通過するのを観測する必要がある。

銀河中心は、天体物理学的基準でも環境的にノイズが多い。この領域の星、ガス、暗黒物質の分布は、ニュートン重力による摂動を生み出し、相対論的歳差運動を模倣する形で軌道をずらす可能性がある。レンズ・シリング信号を抽出するには、これらの寄与をモデル化して差し引く必要があり、最終的な測定に複雑さと不確実性を加える。

最後に、S301の発見自体が、より注意深く探査する動機を与えている。いて座A*周辺の内部星団は塵に大きく覆われており、GRAVITY+で探査できる範囲には限界がある。さらに近くを公転し、より強い、あるいは異なる相対論的特徴を持つ軌道シグネチャを持つ星が存在する可能性は残っている。

S301といて座A*に関するよくある質問

どうやって科学者たちは銀河中心にこれほど近い星を見つけたのか？ VLT干渉計（Very Large Telescope Interferometer）のGRAVITY+装置は、口径8メートルの望遠鏡4基からの光を合成し、いて座A*周辺の高密度星団の中で個々の星を分解するのに必要な分解能を達成する。複数年にわたる微小な位置の変化を追跡することで、チームはS301の完全な軌道を再構築した。

フレーム・ドラッギングとは何か、なぜ重要なのか？ 回転する質量はその周囲の時空の布地を引きずる——回転が速いほど引きずりは強くなる。回転するブラックホールの近くでは、これが近傍の天体の軌道経路を変化させ、その変化は回転の大きさと方向の両方に依存する。恒星の軌道からそれを測定することで、ブラックホールの角運動量を直接読み取ることができる——これはいて座A*に対して現在のどの手法でも達成されていない。

S301はSgr A*近くの他のS星とどう比較されるのか？ 最も研究されているS星であるS2は、約100天文単位の最接近距離を16年周期で達成する。S301は8.7年でその8倍近くに接近し、自近点速度は3倍である。この近さと短周期の組み合わせにより、フレーム・ドラッギングに対して独特の感度を持つ。

これによって天の川のブラックホールについての理解は変わるのか？ いて座A*のスピンは現在、直接測定によって制約されていない。それを決定すれば、銀河系の中心ブラックホールの基本的な物理的記述が完成し、恒星の軌道がこれまで到達したことのない強重力・回転環境での一般相対性理論の検証が可能になる。

GRAVITY+による観測は、複数のS301軌道周期にわたって継続される。チームは、フレーム・ドラッギングによる歳差運動が約10年以内に検出可能なレベルに達すると予想している——そのタイムラインは、S301を発見したのと同じ装置とチームが自らスピン測定を行うのに十分短い。

Reference: Mang et al., “S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10894-w

タグ: black holes, Sagittarius A*, ESO, frame-dragging, GRAVITY+, S301

関連コンテンツ

43万年前の掘り棒、見つかった中で最古の木製の手道具に

ルテニウム争奪戦：AIは希少金属をいかにして「新しい金」に変えたのか

JWSTが発見した100億年前の銀河団、この年代でこれほど高密度であるはずがない

ユークリッド望遠鏡、1年で10年分の古代クェーサーを発見

タコが鏡を使って見えない餌を探し当てた、無脊椎動物では初めて

物理学者が乱流の中でエネルギーが流れる向きを逆転させ、80年来の常識を曲げた