太陽の1千万倍「超巨大ブラックホール」発見が〝宇宙の始まり〟解明の鍵になる理由とは？

テクノロジー記事班

2年前

霧の中に潜むある天体が宇宙の始まりを解明する鍵となるのではないか、と天文学者に大きな驚きを与えています。海外メディア「sciencealert」が詳しく解説しています。

*Category:サイエンス Science *Source：sciencealert,arxiv

最も古い超大質量ブラックホールが発見された

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測によって、太陽の1000万倍の質量をもつ超巨大ブラックホールが発見されました。このブラックホールは、周囲の空間から物質を吸い上げながら、活発に成長しています。

ビッグバンからわずか5億7000万年後、これまでに発見された中で最も古い成長中の超巨大ブラックホールが出現しました。このブラックホールは、これまで発見された中で最も古い銀河のひとつであるEGSY8p7（後にCEERS_1019と変更）の内部で発見されました。この発見は、宇宙初期における最大の難問の一つであるブラックホールが、なぜ短時間でこれほどまでに大きくなったのかの解明につながる可能性があります。

テキサス大学オースティン校の天体物理学者レベッカ・ラーソン氏が率いるこの発見の詳細な論文は、The Astrophysical Journal に投稿され、プレプリントサーバー arXiv で公開されています。

我々は、最も遠い活動銀河核（AGN）と、これまで発見された中で最も遠く、最も古いブラックホールを発見した

出典：arxiv

ラーソン氏は当初、宇宙初期の星形成によって生じる光を調査する研究の一環として、CEERS_1019を調査していました。この光はライマンと呼ばれる放射線で、星形成活動によって中性水素が電離することで発生すると考えられています。宇宙初期は中性水素の霧に覆われていて光が伝わらず、この水素が電離することで初めて光が自由に流れるようになったのです。

この「電離の時代」は、まだ完全には解明されていません。138億年前のビッグバンから10億年の間に起こったことは分かっていますが、宇宙初期を調査するのは本当に大変です。CEERS_1019をはじめとする超早期銀河は、比較的明るいので、この研究の格好のターゲットになりました。

この銀河は2015年にハッブルのデータで確認され、当時は最も古く、最も遠い銀河として観測されましたが、より詳細な情報は得られないままでした。宇宙で最も早い光は、宇宙の膨張によって赤外線領域に大きくシフトしており、それを探るにはJWSTのような強力な赤外線専用観測装置が必要でした。JWSTが登場したとき、この時代のハッブル銀河の中で最も明るいCEERS_1019は、当然のターゲットとなりました。JWSTは、4つの観測装置をすべて使って、わずか1時間だけこの銀河を観察しましたが、豊富なデータを得ることができました。

「この銀河のスペクトルの一部分、そして宇宙の初期の銀河のスペクトルの一部分を、これまでに見たことのない形で見ることができたのです。私は、その情報量に圧倒されました」とラーソンは語っています。しかし、その時、彼女は予想外のことに気がつきました。星形成の光に加えて、通常AGNに関連する幅広い発光の特徴があったのです。通常、宇宙初期の銀河は、AGNの光か星形成の光のどちらかを放出しています。その両方が同じ銀河で見られるというのは、非常に意外でした。

「私もみんなと同じように驚きました」とラーソンは言います。「私たちは、何週間も前から、この銀河はどちらであるべきなのか、どちらか一方であるべきなのかについて議論していました。そして、その両方であることが判明したのです。ブラックホールは、私たちが見ている輝線に何らかの影響を及ぼしていますが、私たちが画像で見ている光のほとんどは、銀河の星形成部分によって支配されているのです。」

132億年以上前に超巨大ブラックホールが存在し、成長しているのが見られたということは、思ったほど驚くことではありません。ビッグバンから6億9000万年後に発見されたクエーサー銀河J1342+0928には、太陽の8億倍に相当する超巨大ブラックホールが存在しています。ビッグバンから6億7000万年後に発見されたJ0313-1806のブラックホールは、太陽の16億倍と測定されました。

これらのクエーサーは、どちらもAGNによる発光が主流となっています。CEERS_1019が表しているのは中間段階であると思われます。後に出現したAGNが支配する大きな銀河の間で、銀河とブラックホールがそもそもどのように形成され始めたかということがポイントです。「我々は、これらの銀河のブラックホールが、非常に早い時期に、どうやって巨大になったのかは今でもわからない。我々が発見したものは、これらの信じられないほど巨大なクエーサーに成長する前駆体ではないかと考えられる」ラーソンは説明しています。

研究者達はCEERS_1019の超大質量ブラックホールを見て、宇宙の最初の星の1つのような巨大な天体が崩壊してできたと考えています。これらの星は、現在の星よりもずっとずっと大きかったので、このような星の崩壊から生まれたブラックホールは、超巨大ブラックホールになったのではないかと思われます。

しかし、ブラックホールにはまだちょっとした後押しが必要でした。それは、周期的な超エディントン降着という形でもたらされる可能性があります。ブラックホールが成長し続けることができる最大の光度をエディントン限界といいます。ブラックホールの周りには、円盤状の物質が渦巻いており、排水溝の水のようにブラックホールに流れ込んでいます。エディントン限界を超えると、物質の移動速度が速くなり、ブラックホールを周回するのではなく、宇宙空間に飛び出してしまいます。これを超エディントン降着といい、これは短時間しか起こりません。しかし研究チームによれば、CEERS_1019の中心にあるブラックホールを成長させた爆発が起こったのかもしれない、と言います。中間銀河についてさらに知るには、もっと多くの中間銀河を見つけることが一番で、これは極めて実現可能なことだと思われます。