このブラックホールの発見は、銀河の成り立ちを再考させるかもしれない

欧州南天天文台の超大型望遠鏡（VLT）はこのほど、宇宙の黎明期を深く覗き込み、最も明るく急速に成長しているクエーサーの発見を確認した。クエーサーは、銀河の中心にある大きなブラックホールにガスが落ちることによって夜空に輝く天体である。

この記録的な天体の発見は十分に魅力的だった。しかし、この発表のもうひとつの重要な側面は、宇宙初期の銀河形成について大きな疑問を投げかけていることだ。特に、ビッグバンから20億年も経たないうちに存在したこのクエーサーが、どのようにしてこれほど急速に大きくなったのか、いまだに謎のままである。この難問を探ることは、銀河がどのようにして誕生したかを再考することにつながるかもしれない。

宇宙で最も密度の高い天体であるブラックホールは、その引力が非常に強く、光さえもその引力から逃れることができないため、このような名前がつけられている。では、どうしてブラックホールがそのような強烈な光源の起源となり得るのだろうか？

ブラックホールが十分に大きい一部の銀河では、物質が猛烈な勢いで引き込まれている。ブラックホールが渦を巻くと、ガス、塵、星が激しく衝突し、大量の光エネルギーが放出される。ブラックホールが大きければ大きいほど、衝突は激しくなり、より多くの光が放出される。

J0529-4351として知られる最新の研究の対象となったクエーサーは、170億個の太陽に相当する質量を持ち、信じられないほど大きい。銀河の中心には、幅7光年に及ぶ渦巻き状の円盤状の物質があり、ブラックホールはこの物質を吸収（蓄積）して成長している。円盤の幅は、地球から次に近い恒星系であるケンタウルス座アルファ星までの距離に匹敵する。

見え隠れするブラックホール

ブラックホールは、毎日太陽1個分に相当する記録的な量の質量を消費して急速に成長している。この強烈な物質の付加は、太陽1兆個分の放射エネルギーを放出する。

数十年にわたる天体観測にもかかわらず、なぜこれほど明るい天体が夜空に存在することが確認されたばかりなのかという疑問が生じる。この卑劣なクェーサーは、ありふれた風景の中に隠れていたことが判明した。

驚異的な明るさにもかかわらず、J0529-4351は非常に遠くにあり、地球にずっと近いところにある暗い星の海の中にシームレスに溶け込んでいる。実際、このクェーサーは非常に遠くにあるため、それが放つ光は地球の私たちに届くまでになんと120億年もかかるのだ。

宇宙の年齢はおよそ137億年である。つまり、このクエーサーはビッグバンのわずか17億年後、宇宙の始まりに存在していたことになる。

ビッグバン後の宇宙の膨張が、このクエーサーまでの距離を測り、したがってこのクエーサーの年齢を測ることを可能にしている。ハッブルの法則と呼ばれる古くから知られている簡単な公式は、ある物体が我々から遠ざかっていく速度を知ることで、その物体がどのくらい遠くにあるのかを計算できるというものである。

このクエーサー

のブラックホールに物質が螺旋状に入り込む際に起こる衝突によって、ブラックホールは10,000℃の灼熱状態になる。このような条件下で、系内の原子は特徴的な光のスペクトルを発する。

これらの光の不連続な周波数は、天文学者が夜空の天体の元素組成を識別するために使用できるバーコードのようなものを形成する。光を発している物体が我々から遠ざかるにつれて、観測される光の周波数はシフトする。これは、救急車のサイレンの音の周波数が、向かってくるか遠ざかるかによってシフトするのと同じである。

天体に見られるこのシフトは、赤方偏移として知られている。この赤方偏移とハッブルの法則によって、J0529-4351の年齢と距離（この2つの性質は宇宙論において関連している）が確認された。

この初期宇宙からの明るい標識は、天文学者を困惑させている重要な問題を提起した。それは、このブラックホールが、このような比較的短い期間で、どのようにしてこのような大質量の天体に急成長できたのかということである。よく知られている初期宇宙のモデルでは、ブラックホールがこの大きさに成長するにはもっと時間がかかるはずである。

さらに、望遠鏡のデータをスキャンするのに使われる人工知能（AI）モデルを調整することで、このような珍しい天体を見つけることができる。もしそれらがJ0529-4351に似ているとすれば、物理学者は初期宇宙と銀河形成のモデルを真剣に考え直す必要があるだろう。

これまで観測されたブラックホールの中で最も急速に成長しているブラックホールは、干渉計と呼ばれる超大型望遠鏡の装置のアップグレードとして予定されているGravity+と呼ばれるシステムの完璧なターゲットとなるだろう。この干渉計は、実際にVLTを構成する4つの望遠鏡からのデータを組み合わせる独創的な方法である。

Gravity+は、特に地球から遠く離れたブラックホールの回転速度と質量を直接正確に測定するように設計されている。

さらに、ヨーロッパ南天天文台の超大型望遠鏡は直径39メートルの反射望遠鏡で、現在チリのアタカマ砂漠に建設中である。この望遠鏡は、遠方のクェーサーに特徴的な光学および近赤外線波長を検出するために設計されており、将来的にはこのようなとらえどころのない天体を特定し、その特徴を明らかにする可能性がさらに高まるだろう。

本記事は、Robin Smith氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「A black hole discovery could force us to rethink how galaxies came to be」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。