ブラックホールは宇宙誕生の初期から存在し、星を生み、銀河形成を促した

宇宙には銀河がたくさんあり、その多くは超大質量ブラックホールを含んでいる。銀河とブラックホールのどちらが先に生まれたのだろうか？その答えは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による最初の1年間の観測のおかげで、非常に明確になりつつある。ブラックホールは、最初の銀河とともに太古の昔から宇宙に存在していた。そして、今日私たちが観測している宇宙を形作るのに役立っている。

かつて天文学者たちは、宇宙初期の形成過程について階層的な見方をしていた。最も初期の星が最初に形成され、次に最も初期の銀河が形成されたと考えられていた。その後、ブラックホールが現れ、ブラックホールは急速に成長したと考えられている。しかし、JWSTの観測は別の時間軸を示唆している。超大質量ブラックホールは、宇宙史の最初の「エポック」にすでに存在していた可能性が高い。超大質量ブラックホールは、銀河とともに成長しながらも、宇宙初期の新しい星の形成を加速させたのだ。これは、Joseph Silkをはじめとする天文学者チームが、JWSTの画像と望遠鏡の初年度のデータを分析し、発表したものである。彼らは、宇宙が誕生して最初の1億年間は、ブラックホールと銀河が共存し、互いの発展に影響を与えていたことを示唆している。

ジョンズ・ホプキンス大学とパリ・ソルボンヌ大学天体物理学研究所の物理学・天文学の教授であるSilk氏は、「われわれの天の川銀河の近くにある銀河の中心に、このようなモンスターブラックホールが存在することは知られていましたが、今、大きな驚きとなっているのは、このブラックホールが宇宙の始まりにも存在し、初期の銀河の積み木や種のようなものだったということです。星形成の巨大な増幅器のように、あらゆるものを後押ししたのです。これは、これまで可能だと考えられていたことを一転させるもので、銀河がどのように形成されるかという我々の理解を完全に揺るがすものです」と、述べている。

ブラックホールと銀河に関する従来の常識

何十年もの間、天文学者たちは、最も初期の超巨大星が寿命を迎えたときに、最初の恒星ブラックホールが形成されたと主張してきた。これらの恒星は、しばしば幼い宇宙の怪物や一匹狼として特徴づけられてきた。これらの星は非常に短命で、破滅的な超新星爆発を起こし、外層のほとんどを宇宙空間に吹き飛ばした。残ったコアは崩壊し、最も初期の恒星ブラックホールを生み出した。ブラックホールはおそらく結合し、さらに物質を蓄積し、銀河の中心に最初の超大質量ブラックホールの種を形成したのだろう。

同時に、銀河に関する従来の常識では、銀河は巨大なガス雲が崩壊してできたとされていた。その後、星形成の波が押し寄せ、おそらくさらに恒星ブラックホールが形成されたのだろう。

JWSTは現在の理論を覆すか？

その常識は完全に間違っているわけではない。しかし、宇宙世紀の初期に存在した超大質量ブラックホールを説明することはできない。これは天文学者たちがまだ理解しようとしていることだ。また、初期の銀河が非常に明るく見える理由も説明できない。しかし、ここで初期の超大質量ブラックホールがその役割を果たす。Silk氏によれば、初期のガス雲では何か別の異常なことが起こっていたという。「大きな驚きは、その雲の真ん中に大きなブラックホールという種があったということです。だから最初の銀河は信じられないほど明るいのです」。

JWSTの観測は、この明るさの発見を裏付けている。この望遠鏡は、天文学者の予想よりもずっと明るいと思われる遠方の初期銀河を発見した。観測はまた、超大質量ブラックホールとともに、「その昔」本当に明るい星が異常に多いことも示している。これらのブラックホールは、年齢の割に予想よりもはるかに質量が大きい。彼らのおかげで、JWSTを使った私たちの宇宙観は天文学を変えつつある。

初期のブラックホールについて天文学者は今何を考えているのか？

ブラックホールはこれらの初期の発見を理解する鍵なので、初期のブラックホールの存在が何を意味するのかを見てみよう。おそらく初期の銀河と超巨大ブラックホールは、幼い宇宙で一緒に育ったようだ。超大質量ブラックホールは、何ものも逃れることのできないとてつもなく強い重力場を持つ怪物だが、別の方法でその存在を示す。超大質量ブラックホールは非常に強い磁場を持ち、巨大な粒子加速器のような働きをする。磁場の作用によって加速された物質が、ブラックホールから勢いよく飛び出すのを私たちはよく目にする。噴流はさまざまな波長の光で明るく、すべての活動がブラックホールのある銀河の中心を明るくする。また、ブラックホールでは星形成が確実に増加している。

「このような激しい風やジェットをはるか彼方で見ることはできませんが、宇宙の初期に多くのブラックホールを見ているので、存在するはずだとわかっています。ブラックホールから吹いてくる巨大な風が、近くのガス雲を砕いて星に変えるのです。これが、なぜ最初の銀河が予想以上に明るいのかを説明するミッシング・リンクなのです」と、Silk氏は説明する。

JWSTはブラックホール以外のすべてを発見し、その観測結果に基づいて、Silk氏と彼のチームは、幼い宇宙が2つの段階を経たことを示唆している。どちらも異なる方法でブラックホールの影響を受けている。最初は、高速の流出流（ジェットや風）が周囲のガス雲に衝突し、星の形成速度を高めた。その後、ブラックホールの活動が減速し、星形成速度に影響を与えた。その結果、最初の銀河では星形成に利用できるガスの量が減少したとSilk氏は指摘した。つまり、JWSTが見ている明るい銀河は、ブラックホールの助けを借りて形成されたのだ。

次のステップ

JWSTの観測は、宇宙進化に関するこの新しい二段階説が正しいかどうかを解明する鍵であり続ける。JWSTの観測によって、宇宙初期の恒星と超巨大ブラックホールが正確にカウントされ、シルクたちが予測したことが確認されるはずだ。

しかし、それ以上に、物語は幼い宇宙だけで終わらない。135億年にわたる宇宙の進化を説明しなければならないのだ。そして、初期のブラックホールと銀河の関係が固まりつつある今、現在我々が目にしている銀河に存在する超巨大ブラックホールについて疑問が投げかけられている。

「大きな疑問は、我々の始まりは何だったのかということです。太陽は天の川銀河の1000億分の1の星で、その真ん中には巨大なブラックホールもある。この2つの間にはどんなつながりがあるのでしょう？1年以内に、私たちはより良いデータを手に入れ、私たちの疑問の多くが答えを得るようになるでしょう」と、Silk氏は述べている。

この記事は、CAROLYN COLLINS PETERSEN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。