驚くほど巨大な初期の宇宙ブラックホールが宇宙理論に挑戦

驚くべきことにあまり目立たない。 ブラックホールは平均的な食欲にもかかわらず、初期の宇宙ですでに太陽質量の10億倍以上を持っていました。

138億年の宇宙の初期段階をのぞくと、 ジェームズウェブ宇宙望遠鏡 銀河系が存在してからわずか7億年後にその姿を発見しました。 ビッグバン。 それはどうなるのだろうか ブラックホール 宇宙がまだ初期段階にあるとき、中心部はすでに10億太陽質量を持つことができました。 ジェームズウェブの観測は、供給メカニズムを詳しく調べるために設計されていますが、彼らは普通ではないことを発見していません。 明らかに、ブラックホールは今日と同様の方法ですでに成長していました。 しかし、その結果ははるかに重要です。 天文学者が思ったよりも銀河がどのように形成されるかについてあまり知らないことを示すことができます。 しかし、測定結果は決して残念ではありません。 むしろその逆です。

初期ブラックホールの謎

宇宙の歴史の最初の10億年は挑戦的な課題を抱えています。 銀河中心の最も古いブラックホールは驚くほど大きな質量を持っています。 どうやってそんなに早くそんなに巨大になったのでしょうか？ ここに記載されている新しい観察結果は、提案された説明、特に最も古いブラックホールの「超高効率供給モード」に反対する強力な証拠を提供します。

超大質量ブラックホール成長の限界

星と銀河は、宇宙の寿命である過去138億年の間、途方もなく変わりました。 銀河は周囲のガスを消費したり（時には）一緒にしたりすることで、より大きくなり、より多くの質量を得ま​​した。 天文学者たちは、長い間、銀河中心の超巨大ブラックホールが銀河自体と共に徐々に成長していると仮定しました。

しかし、ブラックホールの成長は勝手に速くはできません。 ブラックホールに落ちる物質は渦巻き、熱くて明るい「沈着円盤」を形成します。 これが超巨大ブラックホールの周りで発生した場合、その結果は活動的な銀河核です。 クエーサーと呼ばれる最も明るいこれらのオブジェクトは、宇宙全体で最も明るい天体の一つです。 しかし、その明るさはブラックホールに落ちる可能性のある物質の量を制限します。 光は圧力を加えることによって追加の物質が落ちるのを防ぐことができます。

ブラックホールはどうやってそんなに早く、途方もなく大きくなったのか？

それで、天文学者たちは、過去20年間に遠いクエーサーを観測した結果、非常に若いブラックホールが発見されたときに驚きました。 そのブラックホールの質量は太陽質量の100億倍に達しました。 光が遠い天体から私たちに到達するのに時間がかかるので、遠い天体を観察することは遠い過去を覗くことを意味します。 私たちはビッグバン以来10億年を過ぎない時期である「宇宙の夜明け」という時代に最も遠いクエーサーを観察します。 その時が最初の星と銀河が形成された時です。

初期の巨大なブラックホールを説明することは、現在の銀河進化モデルにかなりの挑戦です。 初期のブラックホールが現代のブラックホールよりもガスを集めるのにはるかに効率的でしたか？ それとも、ほこりの存在がクエーサーの質量推定値に影響を与え、研究者が初期のブラックホール質量を過大評価したのでしょうか。 現在としては提案された説明が多いですが、広く受け入れられることはありません。

初期のブラックホール成長の詳細を見る

説明のどれが正しいかを決定するには、以前に見たよりも完全なクエーサーの絵が必要です。 宇宙望遠鏡JWST、特に望遠鏡の中赤外線機器MIRIの出現により、天文学者たちは遠いクエーサーを研究する能力が途方もない飛躍を遂げました。 遠いクエーサーのスペクトルを測定する上で、MIRIは以前のどの機器よりも4,000倍敏感です。

MIRIなどの機関は、科学者、エンジニア、技術者が緊密に協力し、国際コンソーシアムで制作しています。 当然、コンソーシアムは、機器が計画通りにうまく機能するかどうかをテストすることに非常に興味があります。 器具を製造するために、コンソーシアムは通常一定量の観察時間を受けます。 JWSTが発射される数年前の2019年に、MIRI欧州コンソーシアムはこの時間の一部を使用して当時最も遠いと知られているクエーサー、つまりJ1120+0641という名称を持つ物体を観察することにしました。

最も初期のブラックホールの1つを観察する

観測分析は、Max Planck Institute for Astronomy（MPIA）の博士後研究者であり、MIRIヨーロッパコンソーシアムのメンバーであるSarah Bosman博士に任命されました。 ＭＰＩＡがＭＩＲＩ機器に貢献したことには、いくつかのコア内部部品の作成が含まれる。 ボスマンは、特に初期の宇宙、特に最初の超巨大ブラックホールを研究するためにデバイスを最も活用する方法の専門知識を提供するためにMIRIコラボレーションに参加するように求められました。

観測は、JWSTの最初の観測サイクルである2023年1月に行われ、約2時間30分間続きました。 これはビッグバン（赤のほうがz=7）以来わずか7億7千万年後の宇宙の夜明け時期にクエイサーに関する最初の中赤外線研究を構成します。 情報は画像に由来するのではなく、スペクトルに由来する。 つまり、物体の光が異なる波長の成分で虹のように分解されたのです。

ほこりと素早く移動するガス追跡

中赤外線スペクトル（「連続体」）の全体的な形状は、典型的なクエーサーの沈着円盤を囲む大きなほこりのトーラスの特性をエンコードします。 このトーラスは物質を沈着円盤に導き、ブラックホールに「供給」するのに役立ちます。 巨大な初期ブラックホールの優先ソリューションが代替高速成長モードの人々にとって悪いニュースはトーラスと拡大し、この非常に初期クエーサーの供給メカニズムはより現代的な対応と同じように見えます。 唯一の違いは、早い初期クエーサー成長モデルが予測できないことです。 言い換えれば、より遠いクエーサーで最も熱いほこりで発見された1300Kよりも約100ケルビン暖かい、やや高いほこり温度です。

沈着ディスク自体の発光が支配するスペクトルのより短い波長部分は、遠方の観察者として、クエーサーの光が通常よりも多くのほこりのために暗くならないことを示しています。 追加ダストのため初期ブラックホール質量を過大評価しているだけという主張も解決策ではありません。

初期クエーサー「衝撃的に正常」

クエーサーの光線領域はガス塊が光の速度に近い速度でブラックホールを公転するところで、ブラックホール質量と周辺物質の密度とイオン化に対する推論を可能にし、正常に見えます。 スペクトルから推論できるほとんどすべての特性によれば、J1120+0641は今後の時代のクエーサーと変わらない。

「全体的に、新しい観測結果はミステリーに加えるだけです。初期のクエーサーは衝撃的に正常でした。どの波長で観測しても、クエーサーは宇宙のすべての時代にほぼ同じです。」 ボスマンは言います。 超巨大ブラックホール自体だけでなく、その供給メカニズムも、宇宙が現在の年齢の5％にすぎなかったとき、すでに完全に「成熟」しているようです。 いくつかの代替的な解決策を排除することによって、結果は、超巨大ブラックホールが天文学用語で「原始的」または「大きな種子」という考えで最初からかなりの質量で始まったという考えを強く支持します。 超巨大ブラックホールは初期の星の残骸で形成され、非常に急速に巨大になったものではありません。 初期質量は最低10万太陽質量で、おそらく巨大な初期ガス雲の崩壊によって形成されたでしょう。

参考文献: Sarah EI Bosman, Javier Álvarez-Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso-Herrero, Martin J. Ward, Göran Östlin, Thomas R. Greve, Gillian Wright, Arjan Bik, Leindert Boogaard, Karina Caputi, Luca Costantin , Andreas Eckart, Macarena García-Marín, Steven Gillman, Jens Hjorth, Edoardo Iani, Olivier Ilbert, Iris Jermann, Alvaro Labiano, Danial Langeroodi, Florian Peißker, Pierluigi Rinaldi, Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Gü Pierre-Olivier Lagage、Tom P. Ray、Ewine F. van Dishoeck、Bart Vandenbussche、2024年6月17日、 自然天文学。
韓国語: DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0