中国の天文学者、ブラックホールが同じ恒星を2度引き裂いたことを示すスペクトル証拠を発見

2度のフレアが示す、生き残った1つの恒星

超大質量ブラックホールに接近した恒星が、その遭遇を生き延びたものの、再び戻ってきて物質の一部を失ったとみられる。中国科学技術大学（USTC）の天文学者らは、2024年1月に再び増光し始めたことを受け、AT 2022dblで繰り返し起きた現象を特定した。最も有力な手掛かりは、2度のフレアで放たれた光が際立ってよく似ていたことだった。

研究成果は2024年8月9日付で『The Astrophysical Journal Letters』に掲載された。USTCは研究発表で、AT 2022dblを、光を構成波長に分けて調べる分光法によって確認された初の反復型部分潮汐破壊現象と説明した。

潮汐破壊現象（TDE）は、恒星が巨大ブラックホールに十分近づき、重力によって物質を引き剥がされるときに起きる。その物質がブラックホールに向かって移動する際、明るいフレアが生じる。部分的な破壊では恒星の一部が生き残るため、再び遭遇する可能性がある。

AT 2022dblが重要なのは、天体が2度明るくなった記録が得られたというだけではない。2つのフレアには、窒素に関連するものを含め、よく一致する放射の特徴が見られた。こうした特徴は、両方の現象に関わった物質が、同じ恒星に由来する可能性が非常に高いという研究チームの結論を裏付けている。

この発見は、ありふれた恒星破壊現象に見える事例の解釈にも影響する。研究チームによると、AT 2022dblの各フレアは単独で見れば典型的なTDEのように見えた。天体を時間をかけて追跡したことで、1度の現象で消滅したのではなく、恒星が複数回の遭遇で物質を失ったとみられる、より複雑な経緯が明らかになった。

ブラックホールが恒星の物質を剥ぎ取る仕組み

ブラックホールは、近くにある恒星のうち、自身に近い側を遠い側より強く引っ張る。この差が十分に大きくなると、恒星は引き伸ばされ、物質が剥ぎ取られることがある。この重力の引力差が、現象の名の由来となった潮汐力だ。

降着とは、重力によって物質が天体の周囲に集まり、その天体へ向かって移動することを指す。TDEでは、恒星の破片がこの過程で高温になり、放射を放つ。天文学者はその結果生じるフレアを検出し、直接観測できない遠方で起きる遭遇を調べる手掛かりとしている。

USTCによると、典型的なTDEは数十日かけて急速に明るくなり、その後数カ月から数年かけて暗くなる。部分破壊も同様の経過をたどることがある。特徴的なのは生き残った恒星で、ブラックホールに再び接近する軌道を保つ可能性がある。

AT 2022dblについて、研究者らは再び起きたフレアと一致するスペクトルを、こうした過程が繰り返された証拠と解釈している。光には剥ぎ取られた物質の情報が含まれ、再び明るくなったことは活動が再開したことを示している。

スペクトルの一致が重要な理由

スペクトルは、プリズムが可視光をさまざまな色に分けるように、光を波長ごとに分けたものだ。原子やイオンは特定の波長に特徴を示す。天文学者はこうした特徴を使い、光を生み出す物質の組成や物理的状態を調べる。

AT 2022dblの2つのフレアは、放射線の特性が極めてよく似ていた。USTCは、恒星内部の核反応に関係する元素が異常に豊富であることを示す特徴を取り上げた。一致していた特徴には、電子を2つ失った窒素原子が生み出すN IIIの輝線が含まれていた。

研究チームは、この化学的な類似性を、両方の現象が同じ恒星の物質に関係していたことを示す重要な手掛かりと解釈した。その推論は、活動再開のタイミングと光が示す組成を結び付けている。天体は再びフレアを起こし、その放射にはよく似た化学的特徴が表れていた。

潮汐破壊の反復が疑われる先行事例は、主に光度曲線（時間とともに変化する明るさを示すグラフ）を根拠としていた。USTCによると、そうした事例には明るさの変化以外に同程度の強い証拠がなく、広く受け入れられていなかった。AT 2022dblではフレアのスペクトルが比較され、部分的な破壊が繰り返されたという説明を、より強固な観測的根拠が支えている。

2度目のフレアを捉えた経緯

USTCのチームは、既知の潮汐破壊現象の光度曲線を定期的に更新し、活動再開の兆候を探していた。継続的に注目していたことで、2024年1月にAT 2022dblが再び明るくなったのを確認し、新たなフレアが進行中のうちに観測を手配できた。

研究者らは、スウィフト衛星と、ラス・クンブレス天文台グローバル望遠鏡ネットワーク（LCOGT）による観測を開始した。これらの観測では複数の波長帯で現象を測定し、単一の波長帯では得られない、変化する放射のより広範な記録を集めた。

また、米国のパロマー天文台にあるヘール望遠鏡（P200）を用いて、質の高い初期スペクトルも取得した。このスペクトルは、新たな増光現象が潮汐破壊現象であることの特定に役立ち、最初のフレアとの重要な比較を可能にした。

主な経過は次の通り。

• 2024年1月：チームがAT 2022dblの再増光を検出し、スウィフト、LCOGT、パロマー天文台のヘール望遠鏡による観測を開始。
• 2024年8月9日：研究成果が『The Astrophysical Journal Letters』に掲載。論文タイトルは「The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl」。

フレアは進行するにつれて変化するため、再発を早期に捉えることが重要だった。迅速な観測により、研究者らは2度目の現象の初期段階のスペクトルを取得し、明るさの推移を追う測定結果と合わせて分析できた。

連星系に由来する可能性

研究者らは、生き残った恒星がもともと連星系、つまり互いの周りを回る2つの恒星の系に属していた可能性を提唱している。ブラックホールへの接近で2つの恒星が引き離され、一方がブラックホールに捕獲されたのかもしれない。

この説明では、捕獲された恒星は離心率が非常に高い楕円軌道をたどる。離心率は軌道の扁平さを表す。ほぼ円形の軌道では天体はおおむね一定の距離を保つ一方、細長い軌道ではいったん大きく遠ざかってから再び近づく。

その後、接近するたびに恒星が強い潮汐力にさらされ、さらに物質を剥ぎ取られて新たなフレアが生じる可能性がある。これにより、恒星が1度目の遭遇を生き延び、後に戻ってきて再び物質を失う仕組みを説明できる。

連星系に由来するという説と提案された軌道は、観測結果に対する研究チームの解釈にとどまる。発表では次のフレアがいつ起きるかは確認されていない。観測を続ければ、さらなる活動の兆候を探し、今後の現象を最初の2回と比較できる。

恒星破壊の研究に何をもたらすか

AT 2022dblは、天文学者による現象の分類に実務的な課題を突き付ける。恒星が部分的に破壊されたフレアは、通常のTDEのフレアと見分けがつかないことがある。研究者らによると、それぞれの現象の振る舞いは典型的な事例と区別できなかった。

そのため、フレアを1度しか観測しない研究では、生き残った恒星が、単発の破壊を受けた天体として解釈される可能性がある。USTCによると、光学TDEの研究では部分破壊の反復がほとんど見過ごされてきたが、今回の発見は、こうした現象が従来の想定より頻繁に起きている可能性を示している。

この違いは、事例数の集計や、ブラックホール近傍で恒星が物質を失う仕組みの研究に影響する。繰り返し戻ってくる恒星を含む集団と、各フレアが別々の恒星の最後の遭遇を示す集団とでは、過去の経緯が異なる。AT 2022dblは、そうした集計や物理モデルを見直す際に検討できる具体例となる。

観測方法も同様に重要だ。既知の天体を定期的に調べれば、発見時の観測だけでは見逃す活動を捉えられる。この事例では、明るさの継続的な測定、迅速な対応、分光観測の組み合わせが、中心的な証拠をもたらした。

研究チームと新たな事例の探索

論文の筆頭著者はUSTCの博士課程学生、林哲宇（Lin Zheyu）氏で、孔慶（Xu Kong）教授と江寧（Ning Jiang）准研究員が共同で指導した。江氏、王挺貴（Tinggui Wang）教授、孔氏が責任著者を務める。共同研究機関には、中国科学院国家天文台、武漢大学、広島大学、京都大学、インド天体物理学研究所が含まれる。

この研究プロジェクトは、中国国家自然科学基金委員会、科学技術部、中国科学院、中国の有人宇宙飛行計画、Tang Foundation、安徽省当局などの支援を受けた。

研究者らは、広視野サーベイ望遠鏡（WFST）、別名「墨子巡天望遠鏡」を使い、AT 2022dblのような現象をさらに探す予定だ。望遠鏡はUSTCと紫金山天文台が共同開発したもので、潮汐破壊現象は主要な科学目標の一つとなっている。

事例が増えれば、天文学者はより多くの恒星やフレアを比較できる。AT 2022dblは、新たな現象の探索と既知の天体の継続観測を組み合わせる価値を示している。いったん暗くなった天体にも、観測可能な次の現象が控えているかもしれない。

要点

• USTCの研究者らは、2024年1月にAT 2022dblの再増光を検出した。
• 2つのフレアのスペクトルが似ていることから、ブラックホールが同じ恒星から2度にわたり物質を剥ぎ取ったとの結論が裏付けられる。
• チームは、この現象を分光法で確認された初の反復型部分潮汐破壊現象と説明している。
• スウィフト、LCOGT、パロマー天文台のヘール望遠鏡が、2度目のフレアを観測した。
• 研究成果は2024年8月9日付で『The Astrophysical Journal Letters』に掲載された。
• 研究者らは、捕獲された恒星が細長い軌道を回る可能性を提唱し、WFSTでさらなる事例を探す予定だ。