超大質量ブラックホールの起源を解明

超大質量ブラック ホール (SMBH) として知られる、太陽の 100 万倍以上の非常に大きな質量を持つブラック ホールは、今日の宇宙でよく発見されています。 しかし、その起源や、138億年の宇宙進化の過程で、いつ、どこで、どのように出現したのかの詳細は依然として謎に包まれています。

過去数十年にわたる研究は、小さくて非常に重い銀河がすべての銀河の中心に存在し、その質量が常に母銀河の質量の1000分の1であることを示しています。

この密接な関係は、銀河と超大質量銀河が一緒に進化したことを示しています。 したがって、大質量星の起源を明らかにすることは、大質量惑星そのものを理解するだけでなく、観測可能な宇宙の重要な構成要素である銀河の形成過程を解明するためにも重要です。

宇宙が誕生してから長い時間が経過しており、この問題を解決する鍵は宇宙の始まりにあります。 大爆発 （つまり、宇宙の始まりは）10億年も前のことです。 光の速度が有限であるおかげで、私たちは遠い宇宙を観察することで過去を覗き見ることができます。 宇宙が誕生してわずか10億年かそれよりも前の時代に、中小型の天体は本当に存在したのでしょうか?

すばる望遠鏡で撮影した夜空画像の例。 拡大された画像の中央にある小さな赤い点は、宇宙が誕生してから 8 億年 (130 億光年) の頃に存在した、遠く離れたクエーサーから来る光を表しています。 クレジット: 国立天文台

可能ですか? ブラックホール これほど短期間にこれほど大きな質量（100万太陽質量以上、時には数十億太陽質量に達することもある）を得ることができるのでしょうか？ もしそうなら、その根底にあるメカニズムや身体的状態は何ですか？ 中小型の物体の起源に迫るには、それらを観察し、その特性を理論モデルからの予測と比較する必要があります。 これを行うには、まずそれらが空のどこにあるかを判断する必要があります。

研究チームはこの研究を行うために、ハワイのマウナケア山の頂上にあるすばる望遠鏡を使用しました。 スバルの最大の利点の 1 つは広域監視能力であり、この目的には特に適しています。

超微細天体は光を発しないため、研究チームはクエーサーと呼ばれる特別なクラスを探しました。これは、落下する物質が重力エネルギーを放出する、明るい縞模様を持つ小さな超微細天体です。 満月の5000倍に相当する空の広範囲を観測し、宇宙初期に存在する162個のクエーサーの発見に成功した。 特に、これらのクエーサーのうち 22 個は、宇宙が誕生してから 8 億年未満の時代に存在しており、これまでにクエーサーが確認されている最古の時代です。

発見された多数のクエーサーにより、クエーサーの空間密度を放射エネルギーの関数として記述する「視感度関数」と呼ばれる基本的な尺度を決定することができました。 彼らは、クエーサーが宇宙初期に非常に急速に形成されている一方で、光度関数の一般的な形状（振幅を除く）は時間が経っても変化していないことを発見しました。

視感度関数は、空間密度 (縦軸の Φ) を放射エネルギー (横軸の M1450) の関数として表します。 宇宙の年齢が0.8億年（赤い点）、0.9億年（緑のひし形）、1.2億年（青い四角）、1.5億年（黒い三角）のときに観測されたクエーサーの光度関数をプロットしました。 曲線は最も適切な関数形式を表します。 クェーサーの空間密度は時間の経過とともに急激に増加しましたが、光度関数の形状はほとんど変化しませんでした。 クレジット: The Astrophysical Journal Letters、949、L42、2023

光度関数のこの明確な挙動は理論モデルに強い制約を与え、最終的には観測可能なすべての元素を再現し、超大質量ブラック ホールの起源を説明することができます。

一方で、宇宙は初期段階で「宇宙再電離」と呼ばれる大きな変化を起こしていることが知られていました。 これまでの観測では、この出来事で銀河間空間全体が電離されたことが示されている。 イオン化エネルギーの源についてはまだ議論が続いており、クェーサーからの放射線が有力な候補となっている。

上記の光度関数を組み込むことにより、クエーサーが 10 個の光を放出することがわかります。²⁸ 単位体積内の 1 秒あたりの光子数 1 光年 初期宇宙の片側。 これは、当時の銀河間空間の電離状態を維持するために必要な光子の 1% 未満に相当し、したがって、クェーサーが宇宙の再電離にわずかな寄与しかしていないことを示しています。 他のエネルギー源が緊急に必要とされているが、最近の他の観測によれば、それは銀河形成の際の高温の大質量星からの内蔵放射線である可能性がある。

参考文献：「z = 7 でのクエーサー光度関数」松岡良樹、尾上正房、岩沢一志、Michael A. シュトラウス、柏川信成、泉拓馬、長尾徹、今西正俊、秋山真幸、ジュンD. シルバーマン、浅見直子、ジェームス・ブッシュ、古澤久典、後藤友継、ジェームス・E. ガン、張兼祐一、池田裕之、稲吉耕平、石本リカ子、川口俊宏、菊田聡、河野宏太郎、小宮山裕、李信秀、ロバート・H. ラプトン、峰崎健夫、宮崎聡、村山仁、J.アツシ西沢、小栗正宗、小野義明、大路平、越智正美、ポール・A. プライス、鮫島 宏明、杉山 直、フィリップ J. 舘、高田正博、高橋亜由美、高田忠文、田中正幸、鳥羽良樹、王祥宇、山下拓司、2023年6月6日、 の 天体物理学ジャーナルレター。
土井: 10.3847/2041-8213/acd69f

この研究は、日本学術振興会、三菱財団、中国国家自然科学財団の資金提供を受けた。