「これまでに見られたものとは異なる」超大質量ブラックホール

銀河と暴走するブラックホールを繋ぐ橋渡しは20万光年

宇宙は非常に気まぐれで、見過ごされているかもしれない小さなことでさえ、深い意味を持っている可能性があります. これは、エール大学の天文学者ピーター・ヴァン・ドックムが研究していたときに起こったことです。[{” attribute=””>Hubble Space Telescope images and noticed a suspected blemish that looked like a scratch on photographic film. For Hubble’s electronic cameras, cosmic rays skimming along the detector look like “scratches.” But once spectroscopy was done on the oddball streak van Dokkum realized it was really a 200,000-light-year-long chain of young blue stars located over halfway across the universe! van Dokkum and his colleagues believe that it stretches between a runaway monster back hole and the galaxy it was ejected from. The black hole must be compressing gas along its wake, which condenses to form stars. Nothing like it has ever been seen anywhere else in the universe before.

This is an artist’s impression of a runaway supermassive black hole that was ejected from its host galaxy as a result of a tussle between it and two other black holes. As the black hole plows through intergalactic space it compresses tenuous gas in front to it. This precipitates the birth of hot blue stars. This illustration is based on Hubble Space Telescope observations of a 200,000-light-year-long “contrail” of stars behind an escaping black hole. Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Hubble Space Telescope Sees Possible Runaway Black Hole Creating a Trail of Stars

There’s an invisible monster on the loose, barreling through intergalactic space so fast that if it were in our solar system, it could travel from Earth to the Moon in 14 minutes. This supermassive black hole, weighing as much as 20 million Suns, has left behind a never-before-seen 200,000-light-year-long “contrail” of newborn stars, twice the diameter of our Milky Way galaxy. It’s likely the result of a rare, bizarre game of galactic billiards among three massive black holes.

Rather than gobbling up stars ahead of it, like a cosmic Pac-Man, the speedy black hole is plowing into gas in front of it to trigger new star formation along a narrow corridor. The black hole is streaking too fast to take time for a snack. Nothing like it has ever been seen before, but it was captured accidentally by NASA’s Hubble Space Telescope.

“We think we’re seeing a wake behind the black hole where the gas cools and is able to form stars. So, we’re looking at star formation trailing the black hole,” said Pieter van Dokkum of Yale University in New Haven, Connecticut. “What we’re seeing is the aftermath. Like the wake behind a ship we’re seeing the wake behind the black hole.” The trail must have lots of new stars, given that it is almost half as bright as the host galaxy it is linked to.

ブラック ホールは柱の一端にあり、親銀河に伸びています。 シャフトの外側の端に、イオン化された酸素の著しく明るい結節があります。 研究者たちは、ガスと衝突するブラックホールの動きからガスが衝撃を受けて加熱されている可能性があるか、ブラックホールの周りの降着円盤からの放射である可能性があると考えています。 「その前にあるガスは、この超音速の衝撃と、ガスの中を移動するブラック ホールの高速によって衝撃を受けます。それがどのように機能するかは正確にはわかっていません」と Van Dokkum 氏は述べています。

「これは純粋なセレンディピティです。たまたま見つけただけです」と Van Dokkum 氏は付け加えました。 彼は近くの矮小銀河で球状星団を探していました。 「ハッブル画像をスキャンしていたところ、少し筋が入っていることに気付きました。すぐに、『ああ、宇宙線がカメラの検出器に当たり、線形の画像アーチファクトを引き起こしている』と思いました。宇宙線を取り除いたとき、まだそこにありました。何のようにも見えませんでした。以前に見たことがあります。」

このアーカイブ ハッブル宇宙望遠鏡の画像は、ハッブルのカメラからのイメージング アーティファクトとして最初に片付けられたほど珍しい奇妙な線形の特徴を捉えています。 しかし、その後の分光観測により、差し渡しが 200,000 光年ある一連の若い青い星が明らかになりました。 左下の橋の先端に超大質量ブラックホールがあります。 右上の銀河からブラックホールが放出されました。 ガスはその後に圧縮され、若い青い星の長い軌跡を残しました。 このようなものは、これまで宇宙で見られたことはありません。 この異常な出来事は、宇宙が現在の年齢の約半分になったときに起こりました。 クレジット: 科学: NASA、ESA、Peter van Dokkum (Yale)、画像処理: Joseph DiPascual (STScI)

非常に奇妙だったので、Van Dokkum と彼のチームは、ハワイの W.M. ケック天文台で追跡調査を行いました。 彼は星の軌跡を「とても素晴らしく、とても明るく、とても珍しい」と表現しています。 これは、ホスト銀河を取り囲むガスのハローを通って跳ね返るブラック ホールの影響を見ているという結論につながりました。

この銀河間の急上昇は、超大質量ブラック ホールの複数回の衝突の結果である可能性があります。 天文学者は、最初の 2 つの銀河が合体したのはおそらく 5000 万年前だと考えています。 これは、2 つの超大質量ブラック ホールをその中心で結合したものです。 それらは連星ブラックホールのようにお互いを周回していました。

その後、独自の超大質量ブラック ホールを持つ別の銀河が出現しました。 これは、「2 人の会社と 3 人の群衆」という古いイディオムに従います。 3 つのブラック ホールが混ざり合い、無秩序で不安定な形成が行われました。 1 つのブラック ホールがもう 1 つのブラック ホールの運動量を奪い、ホスト銀河から排出されました。 おそらく、元の連星は無傷のままであったか、あるいは間にあった新しいブラック ホールが、元の連星にあった 2 つのうちの 1 つを置き換え、以前の仲間を追い出した可能性があります。

単一のブラック ホールが一方向に発射されると、連星ブラック ホールは反対方向に発射されます。 ホスト銀河の向こう側に見られる特徴は、暴走連星ブラックホールである可能性があります。 これの状況証拠は、銀河の中心部に活動中のブラック ホールが残っている兆候がないことです。 次のステップは、NASA で追跡観測を行うことです。[{” attribute=””>James Webb Space Telescope and the Chandra X-ray Observatory to confirm the black hole explanation.

NASA’s upcoming Nancy Grace Roman Space Telescope will have a wide-angle view of the universe with Hubble’s exquisite resolution. As a survey telescope, the Roman observations might find more of these rare and improbable “star streaks” elsewhere in the universe. This may require machine learning using algorithms that are very good at finding specific weird shapes in a sea of other astronomical data, according to van Dokkum. 

The research paper was published on April 6 in The Astrophysical Journal Letters.

Reference: “A Candidate Runaway Supermassive Black Hole Identified by Shocks and Star Formation in its Wake” by Pieter van Dokkum, Imad Pasha, Maria Luisa Buzzo, Stephanie LaMassa, Zili Shen, Michael A. Keim, Roberto Abraham, Charlie Conroy, Shany Danieli, Kaustav Mitra, Daisuke Nagai, Priyamvada Natarajan, Aaron J. Romanowsky, Grant Tremblay, C. Megan Urry and Frank C. van den Bosch, 6 April 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/acba86

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA. NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, in Washington, D.C.