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初期宇宙の謎を解き明かすことは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)の主要な試みのひとつであり、最初の銀河のいくつかを見つけて調べることは、その研究の重要な要素だ。宇宙最初の銀河のひとつは非常に明るく、研究者たちはその理由を不思議に思ってきた。だがJWSTはその答えを見つけたようだ。

問題の銀河はGN-z11と名付けられ、宇宙が5億年未満の時代に存在していた。ハッブル宇宙望遠鏡は、スピッツァー宇宙望遠鏡の協力を得て、2016年に初めてこの銀河を発見した。当時、この銀河はこれまで発見された中で最も遠方にある古代の銀河であった。この発見を発表した論文の中で、著者たちはこう書いている。”GN-z11は明るく、若いが、中程度の質量があり、過去に恒星の質量が急速に蓄積されたことを示唆している”。

彼らはまた、「将来の施設は、より高い赤方偏移でこのような銀河の始祖を見つけ、再イオン化の始まりの宇宙エポックを探ることができるだろう」とも書いている。JWSTがそのミッションに深く入り込んだ今、私たちはまさにそこにいる。JWSTは、今回GN-z11を詳しく調べたのだ。

発見者たちは、この銀河の高輝度は活動銀河核(AGN)によって引き起こされている可能性を示唆したが、確信はなかった。JWSTの観測に基づく新しい研究は、彼らが正しかったことを示している。この銀河の光度は、銀河の中心にある超大質量ブラックホール(SMBH)が、活発に物質を取り込みながら銀河を照らしていることに由来しているようだ。その兆候のひとつが、SMBHの近くにあるガスの塊である。

イギリスのケンブリッジ大学カヴェンディッシュ研究所とカブリ宇宙論研究所の主任研究者Roberto Maiolino氏は、「我々は、超大質量ブラックホールの近傍によく見られる、非常に高密度のガスを発見しました」と説明した。「これらは、GN-z11が物質を貪るブラックホールを受け入れていることを示す最初の明確なサインです」。

科学者たちは、SMBHの近くの領域は非常に高温であり、ガスの塊がその近くで形成されることを知っている。ブラックホールの強力な重力は、その近くに物質の渦巻く降着円盤を作り出し、円盤内の物質は相対論的な速度まで加速される。その速度で分子が衝突し、摩擦が発生する。その結果、何百万度にも達する熱が発生する。極端な熱は、ガスを非常に速い速度で外側に追いやるが、JWSTがGN-z11で発見したような高密度の塊を形成させることもある。

この塊には金属度がないため、原始的なものである可能性が高く、後に星の世代によってのみ作られる重い元素に汚染されていない。

galaxy gn z11 pristine gas clump near gh z11
この図は、GN-z11付近の原始的なヘリウムの塊を示している。全スペクトルには他の元素の痕跡が見られないことから、このヘリウムの塊は、ビッグバンから残った水素とヘリウムのガスだけでできており、かなり原始的であることが示唆される。星によって生成された重い元素に汚染されていないのだ。このような時代の特に大質量の銀河の近傍の理論やシミュレーションでは、ハローの中に原始的なガスのポケットが残っているはずで、それが崩壊して人口III星団を形成する可能性があると予測されている。(Credit: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) CC BY 4.0 INT)

私たちは、宇宙最初の恒星である種族Ⅲの星を見たことがない。しかし、最初の星は水素とヘリウムから形成されま。最初の星を見つけることは天文学の重要な目標であり、同様に原始的なガスの塊を見つけることも重要なのだ。JWSTが発見したガスの塊も水素とヘリウムだけでできているので、種族IIIの星の形成の前兆である可能性がある。

「ヘリウム以外には何も見えないということは、この塊がかなり原始的なものであることを示唆しています。ハローの中に原始的なガスのポケットが残っているはずで、それが崩壊して人口III星団を形成するかもしれません」。

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種族IIIの星は宇宙最初の星で、水素とヘリウムしか含んでいない。非常に質量が大きく、光り輝く星で、その多くは超新星として爆発した。 (Credit: DALL-E)

さらに2つの証拠がブラックホール仮説を裏付けている。加速するブラックホールはイオン化した化学元素を生成し、JWSTはその証拠を発見した。この強力な宇宙望遠鏡はまた、ブラックホール近傍で速度800~1000km/s-1の強風を検出した。(まれにスターバースト銀河も強力な風を発生させるが、電離はあまり見られない)。

キャベンディッシュ研究所とカブリ研究所のHannah Übler研究員は、「ウェッブのNIRCam(近赤外線カメラ)は、主銀河の延長成分と、ブラックホールを取り囲む降着円盤の色と一致する中央のコンパクトな天体を発見しました」と、述べている。

GN-z11の中心にブラックホールとその降着円盤があることは間違いないようだ。しかし、この銀河の極端な明るさがブラックホールによってもたらされているという事実は、興味深い疑問を投げかける。それは、ブラックホールの種とエディントン率に関係している。

科学者たちは、初期宇宙のブラックホールは、恒星が重力で崩壊してできる恒星質量のブラックホールとは異なる方法で形成された可能性があると考えている。その代わりに、これらの古代のブラックホールは、直接ブラックホールに崩壊するのに十分な質量の物質の集まりである「種」から形成された。大きなブラックホール、中間のブラックホール、小さなブラックホールの種が存在する可能性がある。この結果の背後にある研究者たちは、ブラックホールは「…エディントン速度の約5倍で加速している。これらの性質は、重い星のシナリオと、中・軽い星がエピソード的な超エディントン相を経験するシナリオの両方と一致する」と、述べている。

エディントン速度とは、ブラックホールがエディントン極限に達するまでに物質を蓄積する速度のことである。エディントン極限とは、天体の外向きの輻射力と内向きの重力が等しい間に、天体が到達できる最大光度のことである。

しかし、ブラックホールは超エディントン現象によってエディントン限界を超えることがある。これらのエピソードは、宇宙の最初の10億年間に超大質量ブラックホール(SMBH)が急速に形成されたことを説明できるかもしれない。超エディントン現象は、放射効率の悪い降着と関連しており、しばしば強力な流出風やジェットを伴う。

研究者たちが正しければ、この非常に古く、非常に明るい銀河の背後にある謎を解明したことになる。「我々の発見は、GN-z11の高い光度を説明するものである。


この記事は、EVAN GOUGH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。

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