ブラックホールの種類
光をも飲み込むブラックホールには、太陽の３０倍以上の重さの星が超新星爆発を起したあとに残される恒星質量ブラックホールや、銀河の中心にある太陽の百万倍以上の重さの巨大ブラックホール【注1】などがあります。ブラックホールの性質（時空構造）は「質量」以外に「スピン」【注2】と「電荷」と合わせて３つの物理量だけで完全に決まります。ブラックホールの質量は、その周りにある星の軌道やガスの運動から測定されています。例えば銀河系の中心には「サジタリウスA*（Sgr A*：いて座エー・スター）」という強い電波源がありますが、そこには太陽の４百万倍もの質量を持つ巨大ブラックホールがあると考えられています。
ブラックホールの「スピン」も周囲にあるガスの運動に影響を与えますが、その効果が顕著に現れるのは、ブラックホールの大きさの約１０倍以内というごく近傍に限られています。現在の観測装置では、ブラックホールの見かけの大きさが小さすぎて、スピンの有無によるガスの運動の違いを区別することは困難です。そこでスピンの大きさを区別する新たな方法が考案されました。それが「ブラックホール大気の揺れ」を測定する方法です。
ブラックホールの大気＝降着円盤
ブラックホールは光をほとんど出さないために直接観測することは困難ですが、その周囲にはガスがブラックホールへ落下する時にできる回転ガス円盤(降着円盤)があり、ガスがブラックホールの周りを回転(公転)しながら中心に向かって落ち込んでいきます。ガス同士の摩擦によって高温に加熱された降着円盤は、電波からX線・γ線に至るさまざまな電磁波を放射します。つまりブラックホールの大気が振動すると、さまざまな電磁波が同じ周期で振動します。
ブラックホールの周囲にある回転ガス円盤（＝降着円盤）が振動する様子。左右の密度の大きさが揃っていないのは、共振が生じる原因となる渦状腕パターンが存在することを表しています。
ブラックホールの時空構造
ブラックホールの周囲をガスが一周まわる時間（周期）は、軌道半径【注3】が同じならブラックホールの質量に比例します。しかし軌道半径が分からない場合、周期が長いからといって、ブラックホールの質量が大きいとは限りません。そこで、ある特定の軌道半径で生じる降着円盤の共振現象【注４】に着目します。
ブラックホールの周りを公転するガスに、公転と異なる運動が乱れとして加わると、元に戻そうとする復元力が生じ、一種の振動現象が現れます。「エピサイクリック運動」【注５】と呼ばれるこの振動は、ガスが１公転した時にこの振動が元の状態に戻るような関係（共振関係）にある時には強め合い、乱れが大きくなります。特に、ガスの公転周期と乱れのエピサイクリック運動の周期が整数比１：２になる半径では強い共振が生じます。この共振が起こる半径は、ブラックホールの大きさの数倍以内ですが、降着円盤の広い範囲が振動する為、さまざまな波長の電磁波に対して、ガスの公転と一致した周期を持つ光度変動として観測されます。この降着円盤の揺れる周期は、ブラックホールの時空構造を表しています。つまりブラックホールの性質を表す固有のリズムがあるのです。
ブラックホール大気の揺れの周期
今回、巨大ブラックホール・サジタリウスA*の半径の約７倍の大きさを区別できる電波望遠鏡VLBI（Very Long Baseline Interferometry：超長基線電波干渉法）を用いて、降着円盤がブラックホールの作る時空で揺らされている様子を捉えることに世界で初めて成功しました。
サジタリウスA*の大気は、16.8分、22.2分、31.4分、56.4分で振動しており、およそ3：4：6：10という整数比の揺れの周期を持ちます。16.8分と22.2分の振動パターンは、１本の渦状腕のような模様がブラックホールの周りを回っているように見えます。31.4分の振動パターンは複雑で、３本の渦状腕が回っているようにも見えるし、ブラックホールのごく近傍が点滅しながら２本の渦状腕がその周りを回っているようにも見えます。56.4分の振動パターンは、ブラックホールのごく近傍が点滅しているようにも見えます。このように降着円盤が固有のリズムで揺れている様子は、まるでブラックホールを周りながらガスが踊っているかのようです。振動パターンがどうしてこのように見えるのかは、現在研究が進められています。
巨大ブラックホール・サジタリウスA*のリズムでブラックホールの大気が振動する様子。左は16.8分の振動パターン、真ん中は31.4分の振動パターン、右は56.4分の振動パターンを表しています。それぞれの中心が巨大ブラックホールの位置です。
ブラックホールのポリリズム！？
ブラックホール大気が揺れる周期は１つではありません。ブラックホール大気が共振すると、ガスが公転する周期（ケプラー周期）とエピサイクリック運動の周期の組み合わせで決まる複数の周期で揺れます。今回発見した複数の周期（16.8分、22.2分、31.4分、56.4分）は、ブラックホールの性質を表す「複数のリズム（ポリリズム：Polyrhythm）」です。
ブラックホールのスピン
ブラックホールのスピンの大きさが変わると、共振半径や共振振動の周期が僅かに変化するので、ブラックホール大気の揺れの周期も変わります。このようにブラックホール大気の揺れの周期を調べることで、様々なブラックホールのスピンの大きさを測定する【注６】ことができるのです。
