静かなブラックホールの伴星は、近すぎるのではなく離れすぎていた

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ヨーロッパの位置天文衛星ガイア（Gaia）が見つけた3つの恒星質量ブラックホールについて、「なぜこの形で存在できているのか」を説明する新しい進化モデルが、マックス・プランク天体物理学研究所のアレクサンドラ・オレヤク氏らのチームから出ました。論文は The Astrophysical Journal に掲載されています。

この3つのブラックホールは、どれも太陽くらいの小さな星を伴星として連れています。そのうち2つ（Gaia BH1・Gaia BH2）は、これまでの連星進化の教科書どおりに計算すると「そもそもできないはずの組み合わせ」で、何が起きたのかが問題になっていました。

ガイアが見つけた静かなブラックホール

ブラックホールというと、周りのガスを吸い込んで強いX線やジェットを出す、派手な姿を思い浮かべるかもしれません。ただ、天の川銀河にあると見られる恒星質量ブラックホールの大半は、そういう活動をしていません。ひとりで漂っているか、伴星のそばにいても物質を奪わずに、ただ静かに回っているだけです。光を出さないので、そのままでは見えません。

ガイアは10億個以上の星の位置と動きを精密に測る衛星です。精度が高いおかげで、星が何かに引っぱられてふらつく、ごくわずかな揺れまでとらえられます。ふつうは惑星のせいですが、揺れが大きすぎて「相手は星1個分以上の重さがある」としか説明できない場合があります。それだけ重い相手が星なら光って見えるはずなのに見えない。だからブラックホールだ、という消去法で見つかったのが、Gaia BH1・BH2・BH3の3つです。

BH1は地球からおよそ1560光年で、知られているブラックホールの中でいちばん近いものです。伴星は太陽の0.93倍の重さの星で、公転周期は約186日。ブラックホール本体は太陽の約9.3倍です。BH2は伴星が太陽の1.07倍、周期は約1277日、本体は太陽の約8.9倍。BH3はこの2つよりずっと広い軌道で回っていて、こちらは標準的なモデルでも説明がつきます。今回の論文が扱うのはBH1とBH2です。

大質量星の死と伴星の運命

太陽の9倍のブラックホールを作るには、もとになる星は太陽の20倍前後は必要です。そういう重い星は数百万年で燃え尽きますが、死ぬ前に一度、とんでもなく膨らみます。半径が太陽の数百倍から千倍以上、太陽の位置に置けば火星の軌道を呑み込み、木星の軌道に迫るほどの大きさです。

この膨らんだ星のそばに、太陽ほどの小さな伴星が回っていたとします。星の外層は、自分の重力で引き止められる範囲——「ロッシュローブ」と呼ばれる領域——をはみ出すと、伴星側の重力に引き渡されます。これが「ロッシュローブ・オーバーフロー」で、連星のガスのやりとりとしてはごく普通の現象です。

問題は、その先です。重い星から軽い星へガスが流れると、軌道は縮みます。縮むとロッシュローブも小さくなるので、さらにガスがあふれ、さらに縮む。重さの比が20対1のような極端な組み合わせでは、この連鎖に歯止めがかからず、伴星は膨らんだ星の外層の中に突っ込んでいきます。これが「共通外層」の段階で、抵抗を受けて軌道は急激に小さくなり、最後は合体するか、うまく外層を吹き飛ばせても公転周期が数時間から10日程度の、ぴったり寄り添った連星になります。低質量X線連星と呼ばれる、ブラックホールが伴星のガスを吸って光っている天体は、まさにこの経路の産物です。

では、BH1とBH2はどうか。周期186日と1277日という軌道は、膨らんだ星と接触せずに済ませるには近すぎます。標準的な計算では、ほぼ確実にガスのやりとりが起きたはずです。

近すぎるのではなく離れすぎている

ここで話が反転します。この2つの連星の何が変なのかというと、伴星が「近すぎて呑まれたはず」なのに生き残っている、という点ではありません。接触は避けられなかったはずなのに、その結果として予想される軌道より、桁違いに離れていることです。標準モデルの行き先は「合体」か「数時間〜10日の軌道」の二択。ところが実物は186日と1277日。つまり、ガスのやりとりを経験しながら、軌道がほとんど縮まなかったとしか思えない形をしています。

オレヤク氏らが試したのは、ガスの「捨て方」を変えるという発想です。従来の計算では、あふれたガスの多くは伴星の近くまで運ばれ、そこから系の外へ逃げると仮定していました。伴星の近くから抜けるガスは大きな角運動量——回転の勢い——を持ち去るので、軌道は強く縮みます。これに対して今回のモデルでは、あふれたガスのほぼすべて（95%以上）が、伴星に届く前に、重い星のすぐ近くから直接、系の外へ吹き飛ぶと仮定しました。重い星は系の重心のすぐそばにいるので、ここから出ていくガスが持ち去る回転の勢いはずっと小さく、軌道はほとんど変わらないか、むしろ少し広がります。

この仮定で恒星進化コードMESAを使って計算すると、太陽の20倍の星と1倍の星の組み合わせから、BH1・BH2の周期と質量が幅広い初期条件で再現できました。BH1の場合、重い星は膨らんだあと約10万年のあいだに太陽10個分のガスを失って身軽になり、いったん縮んで、燃え尽きる直前にもう一度少しあふれ、最終的に太陽の約9倍の芯だけが残ります。この芯がつぶれてブラックホールになり、周期は約170日。そこに崩壊時のわずかな蹴りが加われば、観測されている186日と楕円軌道が出てくる、という筋道です。

ただし、この結果は細い綱の上に立っています。捨てるガスのうち、伴星の近くから抜ける分が全体の6%を超えると、もう連鎖が止まらなくなって標準モデルの結末に戻ってしまいます。

ガスが伴星に届かない理由

なぜガスは伴星まで行かずに逃げるのか。論文はいくつかの候補を挙げていて、どれが本命かはまだ決めていません。

ひとつは単純な幾何学です。重さが20対1だと、伴星が自分の重力で押さえられる領域はとても小さくなります。あふれたガスの流れから見た「的」の大きさは、同じ重さどうしの連星に比べて7%ほどしかありません。ほとんどのガスは的を外して、系の外へ散っていくと考えられます。

もうひとつは、膨らんだ重い星の表面近くの構造です。この段階の星は、表面のすぐ下に光をよく吸う層ができていて、そこでは光の圧力が重力を上回ります。つまり、星の表面が自分で自分を吹き飛ばしかけている状態です。実際に「高輝度青色変光星」と呼ばれる不安定な大質量星の多くは、両極方向へ噴き出したひょうたん型の星雲をまとっています。極から噴き出すガスは回転の勢いをほとんど持ち去らないので、今回のモデルが求める条件にぴったり合います。

ほかにも、重い星の自転が公転より遅いと、あふれたガスが伴星を素通りして自分に戻ってくる「自己降着」が起きる可能性も指摘されています。ただ、これらの過程を本当に追うには3次元の流体計算が必要で、1次元の恒星進化コードでは手が届かない、と著者ら自身が書いています。

数で見る説得力と残る食い違い

個別の計算に加えて、チームは連星集団のシミュレーションでも比べています。標準的な共通外層の経路では、周期100〜1500日のブラックホール連星はまったくできません。一方、捨てるガスの90%が重い星の近くから抜けると仮定すると、天の川銀河におよそ10万個の「Gaia BH1・BH2型」の連星ができる計算になり、しかも周期の分布のピークがちょうど観測に重なります。

ただ、うまくいきすぎている面もあります。この新しい経路では、逆に周期数時間〜数日の低質量X線連星がほとんどできません。実物は見つかっているので、少なくとも自然界には複数の作られ方が並行して存在する、と読むのが妥当です。捨て方の割合を90%から95%へ少し変えるだけで結果が大きく動く点も、モデルの繊細さを示しています。

別の説明も消えたわけではありません。重い星の膨らみ方がこれまでの想定より控えめだった可能性、金属量の高い星の強い星風で膨らむ前に軌道が広がっていた可能性、星団の中で別々にできた星とブラックホールが後から組になった可能性。それぞれ計算はあり、今回の論文はそれらを否定するものではなく、「孤立した連星のまま、もっと軽い星からでも作れる道がある」と示したものです。

この機構が本当に働いているなら、影響はブラックホールにとどまりません。ガイアが見つけている白色矮星や中性子星の連星、小マゼラン雲で相棒が見当たらない「はぎ取られた星」、重力波で見つかるブラックホール合体の質量分布——同じ「広すぎる軌道」の悩みを抱えた天体はほかにもあり、そこにも同じ答えが効くかもしれない、と著者らは書いています。

いまのところ、ガイアで見つかったブラックホール連星は3つだけです。2026年12月に公開が予定されているガイアの次のデータ（DR4）で数がそろえば、周期の分布からどの作られ方が主流なのかを絞り込めるようになります。

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出典

Aleksandra Olejak et al., “Nonconservative Mass Transfer as a Formation Channel for Gaia Black Hole Systems,” The Astrophysical Journal, 1006(1):13, 2026
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae8097

同論文のプレプリント（arXiv:2511.10728、全文無料）
https://arxiv.org/abs/2511.10728

Brian Koberlein, “Quiet Black Holes With a Stellar Companion Raise Questions About How They Form,” Universe Today, 2026年9月7日
https://www.universetoday.com/articles/quiet-black-holes-with-a-stellar-companion-raise-questions-about-how-they-form