銀河系中心の超巨大ブラックホールが失う質量を観測する新たな手がかり
ペンローズ過程と呼ばれるメカニズムによって、回転するブラックホールから直接エネルギーを取り出せる可能性が1969年にロジャー・ペンローズによって提唱されました。この仮説的な現象が、銀河系の中心に潜む超巨大ブラックホール「いて座A*」の周辺で実際に起きているかもしれません。新たな研究がこの過程の証拠を検出できる見込みを示しています。
ペンローズ過程から磁気ペンローズ過程へ
通常、ブラックホールは周囲の物質を吸い込む際に膨大なエネルギーを放出します。一方、ペンローズ過程はまったく異なる仕組みです。回転するブラックホールの周辺には「エルゴスフィア」と呼ばれる領域が存在します。ここでは時空の引きずり込み作用が強力であり、光速に近い速度の宇宙船でさえもこの回転の影響から逃れられません。
この特異な領域に不要な物体を持ち込んで投棄すれば、相対性理論の効果により脱出する際に投じたときより多くのエネルギーを得られます。一方、ブラックホール側は質量を失います。理論的には、磁場との相互作用を含む変種（磁気ペンローズ過程、MPP）を用いれば、この過程をはるかに効率的にできることが知られていました。
arXivに発表された新たな研究は、この磁気ペンローズ過程の痕跡を具体的に探す方法を提示しています。研究チームは仮想の宇宙船ではなく、いて座A*のエルゴスフィア内の中性子に着目しました。中性子は電荷を帯びていませんが、陽子、電子、ニュートリノに崩壊します。この崩壊時に電荷を持つ陽子と電子がエルゴスフィアの磁場と相互作用することで、磁気ペンローズ過程が働くのです。
ペタ電子ボルト級の陽子と多信号観測
研究チームが合理的な推定値をもとに計算したところ、この過程により陽子は「ペタ電子ボルト（PeV）」の範囲、すなわち大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の最高エネルギー陽子の約1000倍の出力に達する可能性があります。これらの高エネルギー陽子は光速近くでエルゴスフィアを脱出し、ブラックホール周辺のガスと衝突して強烈なガンマ線を発生させます。同時に、中性子の崩壊はニュートリノも生成するため、天文学者は光とニュートリノの双方を観測する「多信号」検出が可能になります。
しかし現在の観測機器ではこれらの信号は非常に微弱で検出不可能です。今後、高地水チェレンコフ観測所（HAWC）の改良版と、南極の改良版アイスキューブニュートリノ観測所（IceCube Neutrino Observatory）が実運用されれば、こうした信号の捕捉が期待されています。ペンローズ過程の実在と、ブラックホールが質量を失うという予測の立証が、やがて現実のものになるかもしれません。
出典: Universe Today
