宇宙で最初のクエーサーがどのように形成されたかという謎は、20年近くも科学者を困惑させてきたが、このほど天体物理学者のチームがその謎を解明し、『Nature』誌に発表した。
ビッグバンから10億年も経たないうちに、超巨大ブラックホールを動力源とする200個以上のクエーサーが存在することは、天体物理学の未解決問題の1つであった。
ポーツマス大学のDaniel Whalen博士率いる専門家チームは、最初のクエーサーが、初期宇宙の希少なガス貯蔵庫の激しい乱流状態の中で自然に形成されたことを突き止めた。
同大学宇宙論・重力学研究所のWhalen博士は、次のように述べている。「今回の発見は、宇宙で最初に出現した超巨大ブラックホールの起源について、20年間考えられてきたことを覆すものであり、特にエキサイティングなものです。」
これまでの観測によって、宇宙が10億歳になる前に、すでに太陽の10億倍以上の質量をもつ巨大ブラックホールが何らかの形で形成されていたことが明らかになっていた。ブラックホールの形成と成長についての吉の知識から考えると、この巨大なブラックホールの存在と大きさを説明することは非常に困難だった。ビッグバンからそんなに時間が経たないうちに、どうやってそこに到達したのか。そして、どのように巨大化したのか、長年の謎だった。
数年前、スーパーコンピュータによるシミュレーションの結果、初期のクエーサーは、希少で冷たく強力なガスの流れの合流地点に形成されることがわかった。ただ、シミュレーションの結果は、10億光年の空間にブラックホールは12個しか存在せず、しかもそのブラックホールは誕生時に太陽質量の10万倍の大きさでなければならなかった。現在のブラックホールは、大質量の星が燃料を使い果たして崩壊するときに形成されるが、通常は太陽質量の10〜100倍のものでしかない。果たして、そのような超巨大ブラックホールがどのように形成されたのだろうか。
超巨大ブラックホールがどのように形成されるかについては、主に2つの考え方がある。ひとつは、ボトムアップモデルだ。すなわち、一つの大質量星が死ぬと、通常は太陽の100倍程度の質量のブラックホールが残る。そのブラックホールは、長い時間をかけて物質を飲み込み、どんどん大きくなって、太陽の数百万倍から数十億倍の質量を持つようになる。ただし、これは、宇宙初期のクエーサーと非常に矛盾している。
もう一つの考え方は、太陽の10万倍という非常に大きなブラックホールから出発する場合だ。このようなブラックホールを形成するために崩壊した星は、ブラックホールになるまでの宇宙での寿命が25万年程度と非常に短かったはずだ。
現在、そのような質量の星は見つかっていない上に、そのような星を作るような現在の形成メカニズムもわかっていない。しかし、シミュレーションの結果、現在とはかなり条件が異なっていた宇宙初期には、理論的には、高密度で乱流の冷たいガスが稀に強力に合流することで、そのような星が形成された可能性があることがわかった。
宇宙物理学者は長い間、初期宇宙では太陽質量の1万〜10万個の星が形成されるが、それは強い紫外線の背景やガスと暗黒物質の間の超音速流など、異質で微調整された環境でのみ可能であり、最初のクエーサーができた環境とは似ても似つかない、と考えていた。
アラブ首長国連邦にあるアラブ首長国連邦大学の天体物理学者Muhammad Latif博士が率いる研究チームは、ガスの流れのシミュレーションを行い、超巨大ブラックホールがこれらガスの流れの交点で、特別な条件を必要とせずに自然に形成されていることを発見した。
シミュレーションでは、交差する流れによって発生する乱流が、現在見られるような通常の星の形成を妨げているのだ。通常は、冷たい雲の中にある高密度の物質の結び目が重力によって崩壊し、赤ちゃん星が形成されるのだが、乱流が大きすぎると条件が安定しないため、このような現象が起こるのだ。
しかし、このシミュレーションでは、雲が非常に大きくなり、太陽の31,000倍と40,000倍の質量を持つ2つの巨大な星に分解された。
このように、ガスが雲に流れ込むと、太陽の何十倍もの質量をもつ超巨大ブラックホールが、わずか数億年の間に形成され、成長する可能性があるという。
「その結果、宇宙の夜明け直後、つまり宇宙で最初の星ができたときに、クエーサーを形成することができた唯一の原始の雲は、都合よく自分自身の大質量の種を作ることもできたのです。このシンプルで美しい結果は、最初のクエーサーの起源を説明するだけでなく、その人口統計学、つまり初期の頃の数をも説明します」と、Wahlen博士は結論付けている。
「最初の超巨大ブラックホールは、単に冷たい暗黒物質宇宙論における構造形成の自然な帰結であり、宇宙の網の目の子供たちなのです。」
