薄い空気からブラックホールを作る方法

この宇宙を離れる方法は何通りありますか?

おそらく最も有名な監督にはスターの死が伴う。 1939 年、物理学者 J. カリフォルニア大学バークレー校のロバート・オッペンハイマーと彼の学生ハーラン・スナイダーは、十分に大きな星が熱核燃料を使い果たすと、内部に崩壊し、永遠に崩壊し続け、空間、時間、空間が縮小することを発見した。 光は、今日ブラックホールと呼ばれるものに変化します。

しかし、ブラックホールの形成には死んだ星は必要ない可能性があることが判明した。 その代わり、少なくとも初期の宇宙では、原始ガスの巨大な雲が直接ブラックホールに崩壊し、数百万年にわたるスターダムの状態を回避した可能性がある。

これが、ビッグバン後間もない頃の光の点である UHZ-1 を研究している天文学者のグループが最近到達した暫定的な結論です。 実際、UHZ-1 は、宇宙がまだ 5 億年も経っていなかった 132 億年前に、超大質量ブラック ホールから火と X 線を発射した強力なクエーサーです (またはあった)。

宇宙論的に言えば、超大質量ブラックホールは星の崩壊や合体によって誕生する可能性があるため、これは異常に近いことになる。 プリヤンヴァダ・ナタラジャンはエール大学の天文学者であり、『 Astrophysical Letters誌に論文が掲載されました彼女と同僚は、UHZ-1 で超大質量ブラック ホール銀河 (OBG) と呼ばれる新しいタイプの天体を発見したことを確認しました。 OBG の中心は、急速に非常に大きくなったブラック ホールによって固定された若い銀河です。 。

この初期のクエーサーの発見は、天文学者たちが数十年にわたって困惑してきた関連の謎を解くのに役立つ可能性がある。 現代の宇宙で目に見えるほとんどすべての銀河の中心には、太陽の数百万倍の質量を持つ超大質量ブラック ホールが含まれているように見えます。 それらの怪物はどこから来たのでしょうか？ 普通のブラックホールがこれほど急速に成長する可能性はあるのでしょうか?

ナタラジャン博士とその同僚は、UHZ-1 とおそらく多くの超大質量ブラックホールは原始的な雲として始まったと示唆しています。 これらの雲は、時期尚早に重く、大規模なブラックホール銀河の成長を開始するのに十分な粒子に崩壊した可能性があります。 これは、私たちが見ている宇宙が目に見えない闇の幾何学構造によって支配されているということを改めて思い出させます。

「最初のOBG候補として、UHZ-1は宇宙初期の直接崩壊による重い原始種子の形成について説得力のある証拠を提供する」とナタラジャン博士と同僚​​は書いている。 「自然はさまざまな方法でBHの種を生み出しているようです」と彼女は電子メールで付け加えた。「星の死だけではありません！」

ブラックホールを研究するシカゴ大学の理論家ダニエル・ホルツ氏は、「ブリア氏は非常に興味深いブラックホールを発見した。もしそれが本当なら」と語った。

同氏はさらに次のように付け加えた。「単に大きすぎるし、時期尚早だ。 それは幼稚園の教室を覗いているようなもので、5 歳児全員の中に身長 150 ポンドまたは 6 フィートの子供がいます。

天文学者たちが宇宙の進化について自分たちに語り続けている物語によると、最初の星はビッグバンで残った水素とヘリウムの雲から凝縮したという。 それらは熱くて速く燃え、すぐに爆発して崩壊し、太陽の10から100倍の質量のブラックホールを形成しました。

長い年月をかけて、前の星の灰から次々世代の星が形成され、宇宙の化学的性質が豊かになってきました。 彼らの死によって残ったブラックホールは、何らかの方法で合体および成長を続け、銀河の中心に超大質量ブラックホールを形成しました。

2年前のクリスマスに打ち上げられたジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、このアイデアをテストするために設計されました。 直径 21 フィートの宇宙最大の鏡があります。 最も重要なことは、宇宙で最も遠い、したがって最も古い星の光によって放射される赤外線の波長を記録するように設計されたことです。

しかし、新しい望遠鏡が空に向けられると、宇宙学者の予想を裏切るほど巨大で明るい新しい銀河が見えることができました。 これらの観測が実際に長年の宇宙モデルを脅かすかどうかをめぐって、過去2年間にわたって議論が激しくなってきた。 このモデルでは、宇宙は目に見える微量の物質、銀河を結びつける重力をもたらす驚くべき量の「暗黒物質」、そしてこれらの銀河を引き離す「暗黒エネルギー」から構成されていると説明されています。

UHZ-1 の発見は、これらの議論の転換点を表しています。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によるスカルプター座の大規模な銀河団の将来の観測に備えるため、ナタラジャン博士のチームは、NASA のチャンドラ X 線天文台での時間を希望しました。 クラスターの質量は重力レンズとして機能し、その背後にある物体を時空間的に拡大します。 研究者らは、レンズが見ているものを X 線で垣間見ることを望んでいました。

彼らが発見したのは、太陽の約4,000万倍の質量を持つ超大質量ブラックホールによって動かされるクエーサーでした。 ウェッブ望遠鏡によるさらなる観測により、それが132億光年離れていることが確認されました。 (スカルプター星団は約 35 億光年離れたところにあります。) これは、これまでに宇宙で発見された中で最も古く、最も古いクェーサーでした。

ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのアコス・ボグダン氏はプレスリリースで、「この驚くほど遠い銀河を見つけるにはウェッブが必要で、その超大質量ブラックホールを見つけるにはチャンドラが必要だった」と述べた。 「また、検出される光の量を高める宇宙拡大鏡も利用しました。」

この結果は、超大質量ブラックホールがビッグバンから4億7千万年後に存在したことを示している。 これは、太陽質量 10 個から 100 倍の第一世代の恒星によって生成されたブラック ホールがそこまで大きくなるのに十分な時間ではありません。

より大きなブラックホールが形成される別の方法はあったのでしょうか? 2017年、ナタラジャン博士は、原始ガス雲の崩壊により太陽の1万倍の質量を持つブラックホールが誕生する可能性があると示唆した。

「そのうちの1つが後に成長して、この小さな初期の大きなブラックホールを形成することを想像することができます」とホルツ博士は述べた。 その結果、「宇宙の歴史においては、常に驚くほど大きなブラックホールが存在するだろう」と彼は指摘した。

「これらの天体が超大質量寿命で始まるという事実は、それらが最終的には超大質量ブラックホールに進化する可能性が高いことを意味します」とナタラジャン博士は述べた。 しかし、それがどのように機能するのかは誰も知りません。 ブラック ホールは初期のクエーサー UHZ-1 の質量の 10% を占めますが、ブラック ホールの質量が 6.5 である巨大銀河メシエ 87 などの現代の銀河の質量は 1,000 分の 1 未満です。 2019年にイベント・ホライゾン望遠鏡によって画像が撮影されたときの太陽質量は10億個。

これは、複雑な環境フィードバックの影響がこれらの銀河とそのブラックホールの成長と進化を支配し、星やガスにさらに多くの質量を蓄積させることを示唆しています。

「実際、これらの非常に初期のOBGは、その後の成長や発達ではなく、種子の物理学に関するより多くの情報を伝達し、明らかにしています」とナタラジャン博士は言いました。 「それは重要な意味を持っていますが」と彼女は付け加えた。

「それが実際に起こっていることが判明すれば確かに素晴らしいことですが、実際にはわかりません」とホルツ博士は言いました。 「初期の巨大ブラックホールの謎がどのように解明されるかに関係なく、それは興味深い物語になるだろう」と彼は付け加えた。