宇宙初期の超大質量ブラックホールが宇宙論に挑戦

活動銀河であるクエーサーの明るい中心領域をアーティストが描いたもの。 中心にある超大質量ブラックホールは、ガスと塵の明るい円盤に囲まれています。 最も外側にある塵の成分は内部の視界を遮る可能性があり、主に中赤外線範囲で輝きます。この光はジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で分析できます。 高エネルギーの粒子ビームがブラックホールのすぐ近くから円盤に垂直に宇宙空間に放出されます。 著作権: © T. ミュラー / MPIA

驚くべきことではないが、ブラックホールの平均的な食欲にもかかわらず、宇宙初期にはすでに太陽質量10億個以上の重さがあった。

138億年という宇宙の初期段階に目を向けると、 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 彼はわずか7億年前に存在した銀河を観察した 大爆発。 どうやっても不可解だ ブラックホール その中心にあるブラックホールの重さは、宇宙がまだ誕生したばかりの時点で、すでに太陽質量10億個に達していたであろう。 ジェームズ・ウェッブ氏の観察は、摂食機構を詳しく調べることを目的としていましたが、異常なことは何も見つかりませんでした。 明らかに、ブラックホールは現在起こっていることと同様の方法ですでに成長していました。 しかし、この発見はさらに重要です。天文学者は銀河がどのように形成されるかについて、思ったよりもわかっていないことを示しています。 しかし、測定結果は決して期待を裏切るものではありません。 それどころか。

初期ブラックホールの謎

宇宙の歴史の最初の 10 億年は、大きな課題をもたらしました。銀河の中心にある既知の最古のブラック ホールは、驚くほど巨大な質量を持っていました。 どうしてこんなに早く大きくなったのでしょうか？ ここで説明した新しい観察は、提案されている説明の一部、特に最初のブラック ホールの「超効率的な給餌モード」に対する強力な証拠を提供します。

超大質量ブラックホールの成長の限界

星や銀河は、宇宙の年齢である過去 138 億年の間に劇的に変化しました。 銀河は、周囲のガスを消費したり、（場合によっては）銀河同士が合体したりすることによって、より大きくなり、より多くの質量を獲得しました。 長い間、天文学者たちは、銀河の中心にある巨大なブラックホールが銀河そのものに沿って徐々に成長していくと考えていました。

しかし、ブラックホールの成長は恣意的に速くなることはできません。 ブラックホールに落下した物質は、熱くて明るい「降着円盤」を形成します。 これが超大質量ブラックホールの周囲で起こると、その結果、活動的な銀河核が形成されます。 これらの天体の中で最も明るいものはクエーサーとして知られ、全宇宙で最も明るい天体の 1 つです。 しかし、この明るさによって、ブラック ホールに落下する物質の量が制限されます。光は、さらなる物質の落下を防ぐ圧力を及ぼします。

ブラックホールはどのようにしてこれほど急速に巨大化したのでしょうか?

過去 20 年間にわたる遠方のクェーサーの観測で、新たに形成されたブラック ホールが明らかになったにもかかわらず、その質量が 100 億太陽質量に達したことに天文学者たちが驚いたのはそのためです。 光が遠くの物体から私たちに届くまでには長い時間がかかるため、遠くの物体を見るということは、遠い過去を見ることになります。 私たちは、最初の星や銀河が形成されたビッグバンから 10 億年も経たない、「宇宙の夜明け」として知られる時代に存在していた最も遠い既知のクエーサーを観察します。

これらの初期の大質量ブラックホールを説明することは、銀河進化の現在のモデルに大きな課題をもたらします。 初期のブラックホールは、現代のブラックホールよりも効率的にガスを蓄積できるのでしょうか? それとも、研究者が初期のブラックホールの質量を過大評価するように、塵の存在がクエーサーの質量推定に影響を与えた可能性があるのでしょうか? 現時点では多くの説明が提案されていますが、広く受け入れられているものはありません。

ブラックホールの初期成長を詳しく観察する

どの説明が正しいのかを判断するには、以前よりもクエーサーのより完全な全体像が必要です。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、特に中間赤外線装置 MIRI の出現により、遠方のクエーサーを研究する天文学者の能力は大きく飛躍しました。 遠方のクエーサーのスペクトルを測定する場合、MIRI はこれまでのどの機器よりも約 4,000 倍感度が高くなります。

MIRI のような機器は、科学者、エンジニア、技術者が緊密に連携する国際連合によって構築されています。 当然のことながら、コンソーシアムは、ツールが計画どおりに機能するかどうかをテストすることに強い関心を持っています。 ツールを構築する代わりに、コンソーシアムには通常、一定の監視時間が与えられます。 JWST の打ち上げの数年前の 2019 年、ヨーロッパ MIRI コンソーシアムは、その時間の一部を、当時知られていた最も遠いクエーサーである J1120+0641 と名付けられた天体の観測に利用することを決定しました。

最古のブラックホールの一つを観察

観測結果は、マックス・プランク天文学研究所の博士研究員であり、欧州 MIRI コンソーシアムのメンバーでもあるサラ・ボスマン博士によって分析されました。 MIRI 機器に対する MPIA の貢献には、多数の主要な内部部品の構築が含まれます。 ボーズマン氏は、特に初期宇宙、特に最初の超大質量ブラックホールを研究するためにこの装置を最適に使用する方法に関する専門知識を提供するために、MIRI コラボレーションに参加するよう依頼されました。

この観測は、ジェームズ・ウェッブ望遠鏡による最初の観測サイクル中の2023年1月に行われ、約2時間半続きました。 これは、ビッグバン (赤方偏移 z=7) からわずか 7 億 7,000 万年後、宇宙の黎明期におけるクエーサーの最初の中赤外線研究を表しています。 情報は画像からではなく、スペクトルから得られます。スペクトルとは、虹のように、物体の光がさまざまな波長の成分に分解されることです。

高速で移動する塵やガスを追跡する

中赤外（「連続」）スペクトルの一般的な形状は、典型的なクェーサーの降着円盤を取り囲む塵の大きな輪の特徴をエンコードしています。 このリングは物質を降着円盤に導き、ブラックホールに「栄養を与える」のに役立ちます。 初期の巨大ブラックホールの問題を解決したい人にとって悪いニュースは、別の急速な成長方法にあります。つまり、この非常に初期のクエーサーのリング、つまり摂食メカニズムは、より現代の対応するものと同じであるようです。 唯一の違いは、初期のクエーサーの急速な成長のモデルが予測していなかった点です。塵の温度はわずかに高く、それほど遠くないクェーサーの高温の塵に見られる 1,300 ケルビンよりも約 100 ケルビン高いのです。

降着円盤そのものからの放射が大半を占めるスペクトルの短波長部分は、遠く離れた観測者に、クエーサーの光が通常よりも多くの塵によって暗くなっていないことを示している。 余分な塵のために初期のブラックホールの質量を過大評価している可能性があるという議論も答えではありません。

初期のクエーサーは「驚くほど正常」

クエーサーの輪郭を持つ領域では、ガスの塊が光速に近い速度でブラック ホールの周りを周回しているため、ブラック ホールの質量と周囲の物質の密度とイオン化についての推論が可能になりますが、これも正常に見えます。 スペクトルから推測できるほぼすべての特徴によれば、J1120+0641 は後の時代のクエーサーと何ら変わりません。

「全体として、新しい観測は謎をさらに深めています。初期のクエーサーは驚くほど正常でした。どのような波長で観測しても、クエーサーは宇宙のどの時代でもほぼ同じです」とボスマン氏は言う。 超大質量ブラックホール自体だけでなく、その摂食機構も、宇宙の年齢が現在の年齢のわずか 5% であった時点で完全に「成熟」していました。 多くの代替解を除外することにより、この結果は、超大質量ブラック ホールが最初から大きな質量 (天文学用語で「原始」または「大質量」) を持って始まったという考えを強く裏付けています。 超大質量ブラックホールは初期の星の残骸から形成されたわけではありませんが、その後非常に急速に成長しました。 おそらく初期の巨大なガス雲の崩壊によって、少なくとも太陽質量 100,000 の初期質量で初期に形成されたに違いありません。

参考文献: 「JWST 静止フレーム赤外分光法で検出された宇宙の夜明けの成熟したクエーサー」 by Sarah E. I. Bosman、Javier Álvarez Márquez、Luis Colina、Fabian Walter、Almudena Alonso Herrero、Martin J. Ward、Goran Östlin、Thomas R.グライフ、ジリアン ライト、アルジャン ベック、リアンデルト ボガルデ、カリーナ カポーティ、ルカ コンスタンティン、アンドレアス エッカート、マカレナ ガルシア マリン、スティーヴン ゲルマン、イェンス ヒョルス、エドアルド イアンニ、オリヴィエ イルベルト、アイリス ジャーマン、アルバロ ラビアーノ、ダニエル ランゲルディ、フロリアン ビースカー、ピエルルイジ リナルディ、マルティン・トピンカ、ポール・ファン・デル・ヴェルフ、マヌエル・ゲーデル、トーマス・ヘニング、ピエール＝オリヴィエ・ラゲージ、トム・B・レイ、ユウェン・F. ヴァン・デショックとバート・ヴァンデンボッシュ、2024年6月17日、 自然天文学。
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0