ブラックホールとクエーサーはビッグバンから10億年も経たないうちに形成された

超大質量ブラックホールは、宇宙の最初の銀河のいくつかにまで遡り、すべての銀河の中心に存在しているようです。 彼らがどうやってそこにたどり着いたのかは分かりません。 超新星残骸からこれほど急速に巨大なサイズに成長することは不可能なはずです。 私たちは、指数関数的な成長が必要とされないほど大きな何かを形成できる他のメカニズムを知りません。

初期宇宙における超大質量ブラックホールの存在が明らかに不可能であることは、確かに小さな問題でした。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、超大質量ブラックホールを持つ銀河の以前の例を発見したことで、事態をさらに悪化させた。 最新の例では、ビッグバンから約7億5千万年後に存在した超大質量ブラックホールを動力源とするクエーサーの特徴を研究者らがウェッブを使って特徴づけた。 そしてそれは驚くほど普通に見えます。

過去を振り返る

クエーサーは宇宙で最も明るい天体であり、超大質量ブラックホールによって活発にエネルギーを供給されています。 それらを取り囲む銀河は、明るい降着円盤と強力なジェットを形成するのに十分な物質を提供しており、どちらも大量の放射線を放出します。 多くの場合、それらは部分的に塵で覆われており、ブラックホールが放出するエネルギーの一部を吸収した結果として輝きます。 これらのクエーサーは非常に多くの放射線を放出し、最終的に近くの物質を銀河の外に完全に押し出します。

したがって、初期宇宙にこれらの特徴が存在するということは、超大質量ブラックホールが初期宇宙に存在しただけでなく、より最近になってから銀河に組み込まれたことを示すことになるでしょう。 しかし、彼らの勉強はとても大変でした。 まず第一に、私たちはそれらの多くを特定していません。 宇宙が誕生してから 8 億年前に遡るクエーサーは 9 個しかありません。 この距離があるため、特徴を特定することは困難であり、宇宙の膨張によって引き起こされる赤方偏移は、多くの元素からの強い紫外線を吸収し、それを遠赤外線にまで広げます。

しかし、ウェッブ望遠鏡は、この放射線が現れる赤外線の波長に対する感度を通じて、初期宇宙の物体を検出するように特別に設計されました。 したがって、新しい研究は、ウェッブが発見された9つのクエーサーのうちの最初のものであるJ1120+0641を指すことに依存している。

そしてそれは…驚くほど普通に見えます。 あるいは、少なくとも宇宙の歴史のより最近の時期のクエーサーに非常によく似ています。

ほとんど正常

研究者らはクェーサーからの放射線の連続性を分析し、後のクェーサーで見られるように、クェーサーが高温の塵っぽい物質の塊の中に埋め込まれていたという明確な兆候を発見した。 この塵は現代のクエーサーよりも少し高温ですが、これは宇宙の歴史の初期段階におけるこれらの天体の共通の特徴であるようです。 降着円盤からの放射線も発光スペクトルに現れます。

10の領域のブラックホールの量産値を推定するためのさまざまな方法⁹ 太陽の何倍もの質量であり、明らかに超大質量ブラックホールの領域にあります。 また、放射線の一部のわずかな青の変化から、クェーサーが毎秒約 350 キロメートルの速度で物質を吹き飛ばしているという証拠もあります。

いくつか奇妙な点があります。 1 つ目は、物質も秒速約 300 キロメートルで内側に落下しているように見えることです。 これは、降着円盤内で物質が私たちから遠ざかる方向に回転することによって引き起こされる可能性があります。 しかし、もしそうなら、円盤の反対側で私たちに向かって回転する物質によって満たされる必要があります。 これは非常に初期のクエーサーで他にも何度か見られているが、研究者らは「この効果の物理的起源は不明」であることを認めている。

彼らが説明として提案する選択肢の1つは、クエーサー全体が移動しており、別の超大質量ブラックホールとの以前の合体によって銀河中心の位置から揺さぶられているというものだ。

もう一つ奇妙なことは、高度にイオン化された炭素の非常に速い流れも存在し、後のクェーサーの 2 倍の速度で移動することです。 これは以前にも見たことがありますが、これについても説明がありません。

どうしてそうなった？

奇妙な点にもかかわらず、この天体は最近のクェーサーによく似ています。「私たちの観察によると、塵の多いトーラスと星の複雑な構造は、 [accretion disk] 周囲で自分自身を証明できる [supermassive black hole] 「ビッグバン後は7億6000万人未満。」

繰り返しますが、これは少々問題です。なぜなら、これは、宇宙の歴史の非常に初期に、その母銀河に埋め込まれた超大質量ブラックホールの存在を示唆しているからです。 ここに示されているようなサイズに達するために、ブラックホールはエディントン限界と呼ばれるものを押し上げます。エディントン限界とは、結果として生じる放射線が近くの物質を追い出し、ブラックホールの食料供給を窒息させる前に引き込むことができる物質の量です。

これは 2 つの選択肢を示唆しています。 1つ目は、これらの天体はその歴史のほとんどにおいてエディントン限界をはるかに超えて物質を吸収したということですが、これは私たちが観測したことがなく、このクエーサーには確かに当てはまりません。 もう 1 つの選択肢は、巨大な規模で開始することです (約 10 時)⁴ 太陽の質量の倍）、より合理的な速度で摂食を続けました。 しかし、これほど大きなものがどのようにして形成されるのかは実際にはわかりません。

したがって、初期の宇宙は依然としてやや混乱した場所のままです。

自然天文学、2024 年。DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 （デジタルIDについて）。