天文学者らは、これまでの理解を覆すブラックホールを発見したことに喜びと共に困惑を隠せない。

国際的な研究者チームのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いた測定により、研究者らはこれまでで最も遠く、最も古くから存在するブラックホールを発見した。このこの超巨大ブラックホールは太陽の数百万倍の大きさで、130億年以上前、つまりビッグバンから約4億年後のものと推定されるという。

これほど大きな天体がこれほど初期に存在したことが研究者らに困惑をもたらしている。超大質量ブラックホールを説明するために提唱されている従来のシナリオでは、ブラックホールがこれほど大きくなるには数十億年かかると考えられていた事からも、これは驚くべき発見だ。

「これほど巨大なブラックホールを宇宙のごく初期に見ることはなかったため、ブラックホールが形成される可能性のある別の方法を考える必要があります」と筆頭著者であるケンブリッジ大学の実験天体物理学者Roberto Maiolino教授は語った。

標準モデルを覆す

天文学者はブラックホールを直接見ることはできない。その代わりに、降着円盤と呼ばれる、非常に高温のガスがブラックホールの縁に渦巻いていることを示す輝きを探すのだ。今回の研究の焦点であるブラックホールは、GN-z11と呼ばれる若い銀河の中にある。このブラックホールの質量は太陽の160万倍で、我々の銀河系の中心に位置するいて座A*の約3分の1であったが、銀河GN-z11は天の川銀河のわずか100分の1である。

この不可解な巨大さを説明しようとする一つの理論は、ブラックホールが銀河から死んだ星や他の物質を理論限界の5倍も貪欲に食い尽くしているためだと見ている。「非常に初期の銀河はガスが非常に豊富だったので、ブラックホールにとってはビュッフェのようなものだったでしょう」と、Maiolino氏は声明の中で述べている。

もしこうした貪欲なブラックホール理論が成り立つとすれば、（少なくともホスト銀河にとっては）ブラックホールが最終的にホストを殺してしまうという問題がある。ブラックホールがあまりにも早く大量のガスを食べると、そのガスが超高速で押し流され、新しい星が形成されなくなる。ブラックホールは本質的に宿主銀河を食い殺すのである。

ブラックホールがこれほど急速に巨大化した別の説明として、ブラックホールの中には、通常の死んだ星ではなく、巨大なガスの雲が直接崩壊して、単に大きく生まれたものもある、ということが考えられる。

いずれにせよ、GN-z11の中にあるようなブラックホールは、このような宇宙の領域がどのように形成され、進化していくのかを研究者たちに再考させている。「そもそもブラックホールがどこから来たのかを理解することは常に謎でしたが、今やその謎はさらに深まっているようです」と、今回の研究には参加していないユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドンの宇宙学者Andrew Pontzen氏はGuardian紙に語っている。

物理学者たちはこれまで、ブラックホールの起源についていくつかのシナリオを提唱してきたが、はるか昔の時間を垣間見ることができるほど強力な望遠鏡がなかったため、これらのアイデアを直接検証することができなかった。しかし、JWSTによってそれが変わった。

「ウェッブがオンラインになる前は、ハッブル宇宙望遠鏡で見える範囲を超えると、宇宙はそれほど面白くないのかもしれないと考えていました。ですが、宇宙は私たちに見せてくれるものに対して非常に寛大であり、これはほんの始まりに過ぎないのです」と、Maiolino氏は述べている。

近年、研究者たちはJWSTを使って宇宙の始まりから明るい銀河をいくつか発見している。GN-z11のブラックホールがなぜこれほど大きくなったのか、そしてなぜ銀河自体がこれほど明るいのかについてのこの新しいシナリオは、これらの他の銀河も説明できるかもしれない。さらに、宇宙が高温で暗い粒子のスープから、星からの最初の光の断片を含むようになった経緯を説明するのに役立つかもしれない。

論文

• Nature: A small and vigorous black hole in the early Universe

参考文献

• University of Cambridge: Astronomers detect oldest black hole ever observed
• The Guardian: Revealed: the oldest black hole ever observed, dating to dawn of universe

研究の要旨

宇宙初期におけるブラックホールの種の形成を説明し、ビッグバン後最初の10億年間に観測された超大質量ブラックホールの出現を説明するために、複数の理論が提案されている1-3。これらの理論では、ビッグバン後の最初の数億年間にブラックホールを検出し、その特徴を明らかにする必要があります。その結果、[NeIV]λ2423遷移とCII*λ1335遷移（活動銀河核の典型的な遷移）が検出され、さらに、活動銀河核のブロードライン領域の典型的なガス密度109 cm-3以上の半禁制星雲線が検出された。これらのスペクトルの特徴は、GN-z11がブラックホールを持っていることを示している。また、スペクトルは深くブルーシフトしたCIVλ1549吸収トラフを示し、AGNによって駆動されていると思われる速度800 – 1000 km s-1の流出流を追跡している。局所的なビリアル関係を仮定すると、ブラックホールの質量はlog (MBH/M⊙) = 6.2 ± 0.3となり、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、あるいは中・軽い星のエピソード的な超エディントン期を想定したシナリオのどちらとも一致する。私たちの発見は、GN-z11の高い光度を自然に説明し、また、その例外的に高い窒素存在量を説明することができる。