DESIの発見：超高速星の軌跡を天の川銀河中心の巨大ブラックホールまで追跡

銀河の追放者：DESIの発見により、高速星の起源が天の川銀河の中心ブラックホールであることが判明

天の川銀河の深部において、連星系と超巨大ブラックホール「いて座A*（Sgr A*）」の間で繰り広げられた重力のダンスは、激しい放出という形で幕を閉じました。それから数百万年後、天文学者たちはこの遭遇の生き残りである「DESI-312」と名付けられた星の難民を特定しました。ダークエネルギー分光器（DESI）の最新データを用いた研究チームは、この星が秒速約700キロメートルという驚異的な速度で銀河中心から逃走していることを確認しました。Manuel Cavieres氏が率いる国際的な天体物理学者チームによるこの新しい研究の詳細は、銀河の中で最もアクセスが困難な領域の化学組成を知るための、極めて稀で遮るもののない窓を提供しています。

DESI-312の発見

DESI-312の特定は、「銀河考古学」の分野における重要な節目となります。超高速星（HVS）は極めて稀な存在です。天の川銀河には数千億の星が存在しますが、これまでに特定された候補はわずか数十個であり、銀河中心との関連が決定的に証明されたものはさらに少なくなります。今回の発見は、数百万もの天体の高品質な分光データを提供するDESIサーベイの最初のデータリリース（DR1）によって可能となりました。研究者たちは、DESIの分光データとGaiaミッションによる精密な位置天文学データを組み合わせることで、この星の3次元的な位置と速度を含むフル6次元の位相空間軌道をマッピングすることに成功しました。

ライデン大学、エディンバラ大学、ケンブリッジ大学のManuel Cavieres氏、Sergey E. Koposov氏、Elena Maria Rossi氏らによるこの研究は、このような発見に求められる精度の高さを強調しています。「DESIの分光データとGaiaの位置天文学データを用いて、超高速星の6次元探索を行い、その束縛軌道を確実に銀河中心まで遡ることができる説得力のある候補を特定しました」と研究者たちは述べています。ハロー内をランダムに移動する他の多くの高速星とは異なり、DESI-312の軌道は、銀河の核に位置する太陽質量400万倍のブラックホール、いて座A*のすぐ近くを矢印のように指し示しています。

ヒルズ機構：宇宙のスリングショット

このような極端な速度の背後にあるメカニズムは、1988年に天文学者のJack Hillsによって提唱された「ヒルズ機構」として知られています。このプロセスは、互いの周りを回る2つの星からなる連星系が、超巨大ブラックホールに近づきすぎたときに発生します。ブラックホールの巨大な潮汐力が連星を引き裂き、一方の星はブラックホールの周囲の狭い軌道に捉えられ、もう一方の相棒は銀河の脱出速度をしばしば超える信じられないほどの速度で外側へと弾き飛ばされます。

DESI-312について、研究チームは放出速度を秒速698（+35/-27）キロメートルと算出しました。この速度はヒルズ機構の予測と一致しており、この星がいて座A*によって「蹴り出された」可能性が高いことを裏付けています。連星系内での超新星爆発や、高密度の星団内での力学的遭遇によって高速に達する星もありますが、これらの「逃走星」がDESI-312に見られるような速度に達することは滅多にありません。データは、太陽質量の星をこれほどのペースで内側ハローまで推進させるのに必要な運動エネルギーを提供できるのは、超巨大ブラックホールとの遭遇のみであることを示唆しています。

銀河核の化学的な秘密

DESI-312の最も顕著な側面の一つは、その化学的特徴です。分光分析により、この星は「太陽以上の金属量」を持ち、鉄・水素比（[Fe/H]）が0.27 ± 0.09であることが判明しました。これは、この星が私たちの太陽よりも重元素を大幅に多く含んでいることを意味します。この化学組成は、その起源に関する決定的な証拠となります。DESI-312が現在位置している銀河ハロー（銀河の外縁部）で見つかるほとんどの星は古く、「金属欠乏」であり、宇宙の歴史の初期に形成されたものです。

DESI-312のような高い金属量を持つ星はハローでは異例ですが、銀河中心においては極めて一般的です。天の川銀河の核は、激しい星形成と化学的富化が行われる領域です。この化学的な指紋を携えているDESI-312は、「星の使者」としての役割を果たしています。銀河中心は厚いガスや塵の雲に覆われているため、天文学者がそこに位置する星の化学組成を測定することは極めて困難です。その塵の帳を逃れてきたDESI-312は、ハローというはるかに見通しの良い場所から、銀河内部の組成を研究するための貴重な機会を提供してくれます。

脱出ルートのマッピング

分析の中で、Cavieres氏らのチームは、この星の別の誕生場所の可能性を細心の注意を払って除外しました。彼らは、DESI-312が銀河円盤や球状星団から放出された可能性を検討しました。しかし、この星の軌道エネルギーと固有の化学的プロファイルは、それらのシナリオとは一致しませんでした。円盤から放出された星は通常、速度が低く元素比率も異なります。また、球状星団は一般に、より古く金属の少ない星々で構成されています。

軌道分析によると、DESI-312は現在「内側ハロー」にあり、非常に細長い軌道を描きながらも、依然として天の川銀河に重力的に束縛されています。このため、この星は「束縛された」超高速星に分類されます。銀河を完全に離れることはないかもしれませんが、いて座A*周辺のサブパーセク領域から数万光年離れた現在の位置までの旅路は、科学者たちが「銀河ポテンシャル」、つまり暗黒物質（ダークマター）を含む天の川銀河全体の質量分布を調査することを可能にします。星が辿る経路は、通過するあらゆるものの重力によって決まるため、DESI-312は銀河の見えない構造を探るための高速プローブ（探査機）となるのです。

新クラスの超高速星

歴史的に、特定された超高速星のほとんどは、大質量で高温の青い星（A型およびB型星）でした。これらの星は寿命が短いため、移動時間の「時計」となりますが、詳細な大気分析は困難です。DESI-312は異なります。これは現在、主系列または初期の準巨星分枝にある、約1太陽質量の星です。太陽のような星は、大気がより安定しており、スペクトル線の解釈が容易であるため、化学元素のはるかに詳細な内訳を調べることが可能です。

この発見は、DESIサーベイの重要性が増していることを浮き彫りにしています。Gaiaミッションは星の位置と動きに関する理解に革命をもたらしましたが、Gaia単体では、暗い天体の化学組成や正確な視線速度を決定するための分光学的深度が不足していることがよくあります。DESIはこのギャップを埋め、数百万の星を観測し、運動の「第3次元」と化学的履歴の「第4次元」を提供します。DESIコラボレーションがデータの放出を続けるにつれ、天文学者たちはこのような「銀河の追放者」がさらに発見されることを期待しています。それらはそれぞれ、私たちの銀河核の激動の歴史について異なる物語を語ってくれるでしょう。

銀河考古学の未来

DESI-312の発見は、研究者たちが超高速星研究の黄金時代になると期待している時期の始まりに過ぎません。DESI、WEAVE、4MOSTといった多天体分光サーベイの登場により、高速星の調査結果は、一握りの例外的な事例から統計的に有意な集団へと拡大することが予想されます。新たな発見があるたびに、いて座A*が連星系を破壊する頻度の制約に役立ち、それがひいては銀河中心における星やブラックホールの密度の理解を深めることにつながります。

さらに、DESI-312のような星の放出率を研究することは、星がブラックホールによって引き裂かれる「潮汐破壊現象（TDE）」や、「極端質量比らせん降下（EMRI）」からの重力波放出といった、他の現象を予測するための重要なデータとなります。Sergey E. Koposov氏らのチームが結論づけているように、これらの星の逃亡者たちは単なる珍奇な存在ではありません。それらは宇宙で最も極端な環境を理解するための不可欠なツールなのです。現在、DESI-312はハローの中を孤独に移動し続けています。数百万年前に天の川銀河のまさに中心部で起こった重力的遭遇の、沈黙の目撃者として。