原始ブラックホールのウェッブ宇宙望遠鏡検索

ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡のアーティストレンダリング。 クレジット：NASA GSFC / CIL / Adriana Manrique Gutierrez

ウェッブ宇宙望遠鏡チーム 仕事を続けて下さい 私に 試運転 これは、夏に科学活動が開始される前の最後のステップです。 最近、の素晴らしい写真を見ました 天の川銀河の中心にあるブラックホールで撮影 事象の地平線望遠鏡。 現代の天文学の謎の1つは、それぞれの大きさです。 銀河 彼は巨大な中心性を持つようになりました ブラックホールそして、これらのブラックホールのいくつかは、宇宙のごく初期の時代でさえ、驚くほど大きいのです。 Webbの近赤外線分光計（NIRSpec）チームのメンバーであるRoberto Maiolinoに、Webbがこれらの質問のいくつかに答えるのにどのように役立つかを尋ねました。

「ウェッブが解き放とうとしている発見の最もエキサイティングな領域の1つは、初期宇宙での原始ブラックホールの探索です。これらは、天文学者が銀河系のコアで見つけた最も巨大なブラックホールの種です。ほとんどの銀河（おそらくすべて）それらの中心にブラックホールをホストし、それらの質量は私たちの太陽の数百万から数十億倍の範囲にあり、これらの超巨大ブラックホールは、それらの周りの物質をむさぼり食うことによって、また小さなブラックホールをマージすることによって非常に大きくなりました。

「最新の興味深い発見は、宇宙がわずか約7億年前、現在の138億年の数分の1のときに実際に存在した、数十億の太陽質量を持つ超大質量ブラックホールの発見です。これは不可解です。その結果、標準的な理論によれば、そのような初期の年齢では、そのような巨大なブラックホールを開発するのに十分な時間がなかったためです。この謎を解決するためにいくつかのシナリオが提案されています。

一つの可能​​性は、初期の宇宙での第一世代の星の死によって引き起こされたブラックホールが、非常に高い割合で物質を蓄積したということです。 もう1つのシナリオは、ヘリウムより重い化学元素がまだ豊富に含まれていない原始ガス雲が直接崩壊して形成される可能性があることです。[{” attribute=””>black hole with a mass of a few hundred thousand solar masses, and subsequently accrete matter to evolve into the hyper-massive black holes observed at later epochs. Finally, dense, nuclear star clusters at the centers of baby galaxies may have produced intermediate mass black hole seeds, via stellar collisions or merging of stellar-mass black holes, and then become much more massive via accretion.

This illustration shows the populations of known black holes (large black dots) and the candidate black hole progenitors in the early universe (shaded regions). Credit: Roberto Maiolino, University of Cambridge

“Webb is about to open a completely new discovery space in this area. It is possible that the first black hole seeds originally formed in the ‘baby universe,’ within just a few million years after the big bang. Webb is the perfect ‘time machine’ to learn about these primeval objects. Its exceptional sensitivity makes Webb capable of detecting extremely distant galaxies, and because of the time required for the light emitted by the galaxies to travel to us, we will see them as they were in the remote past.

“Webb’s NIRSpec instrument is particularly well suited to identify primeval black hole seeds. My colleagues in the NIRSpec Instrument Science Team and I will be searching for their signatures during ‘active’ phases, when they are voraciously gobbling matter and growing rapidly. In these phases the material surrounding them becomes extremely hot and luminous and ionizes the atoms in their surroundings and in their host galaxies.

“NIRSpec will disperse the light from these systems into spectra, or ‘rainbows.’ The rainbow of active black hole seeds will be characterised by specific ‘fingerprints,’ features of highly ionized atoms. NIRSpec will also measure the velocity of the gas orbiting in the vicinity of these primeval black holes. Smaller black holes will be characterized by lower orbital velocities. Black hole seeds formed in pristine clouds will be identified by the absence of features associated with any element heavier than helium.

“I look forward to using Webb’s unprecedented capabilities to search for these black hole progenitors, with the ultimate goal of understanding their nature and origin. The early universe and the realm of black holes seeds is a completely uncharted territory that my colleagues and I are very excited to explore with Webb.”

— Roberto Maiolino, professor of experimental astrophysics and director of the Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge

Written by:

• Jonathan Gardner, Webb deputy senior project scientist, NASA’s Goddard Space Flight Center
• Stefanie Milam, Webb deputy project scientist for planetary science, NASA’s Goddard Space Flight Center