ブラックホールはどのようにしてこれほど大きく、そして速く成長したのでしょうか?答えは暗闇の中にあります

宇宙初期の暗黒物質からの放射線は、水素ガスをブラックホールに凝縮するのに十分な温度に保つのに役立っている可能性がある。

• 超大質量ブラックホールは通常、形成されるまでに数十億年かかります。しかし ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 すぐに発見されるのでしょうか？ ビッグバン – 形成するのに十分な時間がかかる前。
• カリフォルニア大学 天体物理学者らは、暗黒物質が崩壊すると、暗黒物質が放出する光子が水素ガスを十分に高温に保ち、重力によって水素ガスが巨大な雲に集められ、最終的には凝縮されて巨大な塊になることを発見した。 ブラックホール。
• この発見は、非常に初期の超大質量ブラックホールの存在を説明することに加えて、光子などの粒子に崩壊できる一種の暗黒物質の存在を裏付けるものとなった。

超大質量ブラックホールの形成

私たちの銀河の中心にあるような超大質量ブラックホールが形成されるには長い時間がかかります。 天の川 通常、ブラックホールの誕生には、少なくとも太陽質量50倍の質量を持つ巨大な星が燃え尽きる必要があり、その過程には10億年かかる可能性があり、その中心は自ら崩壊する。

しかし、このブラックホールの質量は太陽の約10倍にすぎず、天の川銀河で見つかった射手座A*として知られる太陽質量400万のブラックホールとは大きく異なります。または、他の銀河に存在する太陽質量10億個の超大質量ブラックホール。このような巨大なブラックホールは、ガスや星の蓄積や他のブラックホールとの合体によって、小さなブラックホールから形成されることがあり、それには数十億年かかります。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が明らかにした秘密

しかし、それではなぜ、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が形成される数千年も前の、時間そのものの始まりに近い超大質量ブラックホールを検出したのでしょうか?カリフォルニア大学ロサンゼルス校の天体物理学者らは、ブラックホールそのものと同じくらい神秘的な答えを導き出した。暗黒物質のせいで、水素が重力によって冷却されて星ではなくブラックホールになるほど大きくて密度の高い雲に凝縮するのを妨げられたのだ。 。この結果は、8月27日にNature Communications誌に掲載された。 材料レビューレター。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の物理学と天文学の教授、アレクサンダー・コーセンコ氏は、「宇宙そのものが誕生してまだ5億年しか経っていないのに、太陽質量10億個の質量を持つ超大質量ブラックホールを発見したのは本当に驚くべきことだった」と語った。 「それは恐竜の骨の中から現代の車を見つけて、誰がその車を先史時代に作ったのかを疑問に思うようなものです。」

宇宙におけるガス冷却の課題

天体物理学者の中には、星の燃焼、降着、合体という長い歴史を迂回して、巨大なガス雲が崩壊して直接超大質量ブラックホールを形成するのではないかという仮説を立てている人もいる。しかし、問題が 1 つあります。重力は巨大なガスの雲を引き寄せますが、1 つの巨大な雲にはなりません。その代わりに、ガスの破片を小さなハローに集めて、互いに接近して浮遊しますが、ブラック ホールは形成しません。

その理由は、ガス雲が非常に急速に冷えるためです。ガスが熱い限り、その圧力は重力に抵抗できます。しかし、ガスが冷えると圧力が低下し、多くの小さな領域で重力が優勢になり、重力が雲全体を単一のブラックホールに引き込む前に、高密度の物体に崩壊する可能性があります。

「ガスの冷却速度は水素分子の量に大きく関係します」と筆頭著者で博士課程の学生でもあるイーファン・ルー氏は言う。 「分子内で結合している水素原子は、ばらばらの水素原子に遭遇するとエネルギーを散逸します。 トウモロコシ「水素分子は熱エネルギーを吸収して放射するため、冷却剤になります。初期宇宙の水素雲には大量の水素分子が含まれており、ガスは急速に冷えて大きな雲ではなく小さなハローを形成しました。」

Lu 氏と博士研究員の Zachary Becker 氏は、このシナリオで考えられるすべてのプロセスを計算するコードを書き、追加の放射線がガスを加熱して水素分子を分離し、ガスの冷却方法を変える可能性があることを発見しました。

「特定のエネルギー範囲の放射線を加えると、水素分子が破壊され、大きな雲の分裂を妨げる状況が作り出されます」とルー氏は付け加えた。

ブラックホールの形成における暗黒物質の役割

しかし、放射線はどこから来るのでしょうか？

私たちの体、惑星、星、その他私たちが観察できるすべてのものを構成しているのは、宇宙の物質のほんの一部です。実際、星体への重力の影響や、遠くの光源から来る光線の曲がりを通して観察できる物質の大部分は、科学者がまだ特定できていないいくつかの新しい粒子で構成されています。

暗黒物質の形状と性質は、まだ解明されていない謎です。暗黒物質が何なのかはわかっていませんが、素粒子科学者たちは、暗黒物質には崩壊して光の粒子である光子に変化する可能性のある不安定な粒子が含まれているのではないかと長い間想像してきました。このような暗黒物質をシミュレーションに含めることで、ガスがブラックホールに崩壊するときに大きな雲の中で生き残るために必要な放射線が得られました。

暗黒物質はゆっくりと崩壊する粒子で構成されているか、複数の粒子で構成されている可能性があります。 分類する安定なものもあれば、早期に分解するものもあります。いずれの場合も、崩壊生成物は光子の形の放射線である可能性があり、これが分子状水素を分解し、水素雲が急速に冷えるのを防ぎます。暗黒物質の非常に穏やかな崩壊でも、冷却、大きな雲の形成、そして最終的には超大質量ブラックホールの形成を防ぐのに十分な放射線が生成されます。

「これが、なぜ超大質量ブラックホールがこれほど早く検出されたのかについての答えかもしれない」とベッカー氏は語った。ガス雲の崩壊の結果、おそらく彼らはそうすべきだろう…必要な追加の放射線は、暗黒セクターの未知の物理学から来るだろう。」

参考文献：「残留粒子の崩壊による超大質量ブラックホールの直接崩壊」Yifan Lu、Zachary S.C. Baker、Alexander Kosenko著、2024年8月27日、 材料レビューレター。
土井: 10.1103/PhysRevLett.133.091001