天文学者らは、宇宙初期に重いブラックホールの「種」の最初の証拠を検出した可能性がある。
これらのいわゆるシードは、太陽の数百万倍、さらには数十億倍の質量を持ついくつかの超大質量ブラックホールがどのようにしてビッグバン後10億年も経たないうちに存在できるほど急速に成長することができたのかを説明するのに役立つかもしれない。
超大質量ブラックホールの種は、太陽の質量の4000万倍を超えるブラックホールである可能性が高い。 これらは、大質量星が寿命を迎え、自らの重力で崩壊するときに生成される典型的なブラックホールとは異なり、大規模なガス雲の直接崩壊によって形成されると考えられています。 大質量ブラックホールの種が存在すると考えられる銀河は、超大質量ブラックホール銀河 (OBG) と呼ばれます。
これらの銀河はおそらく非常に遠いところにあり、宇宙が誕生してから約 4 億年前の 138 億年当時の姿を私たちの望遠鏡で見ることができます。 そして今、科学者たちはついにこれらの OBG の 1 つを特定したかもしれません。
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ハーバード大学とスミソニアン天体物理学センターの研究者アコス・ボグダン率いる研究チームは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）とNASAのチャンドラX線天文台でクエーサーを調査している際に、ブラックホール質量の特徴を持つ天体を初めて発見した。 超大質量ブラック ホールを動力源とするクエーサーは、エネルギーに富み、非常に明るい銀河の核です。 実際、それらは非常に明るいため、それらがホストする銀河内のすべての星の光を合わせた光よりも輝きます。
ボグダンと彼の同僚が研究した銀河は、UHZ1 と呼ばれる銀河に住んでいます。
結局のところ、JWST と Chandra からの UHZ1 に関するデータは、OBG から予想されるものと一致していました。 研究チームはチャンドラを盗聴することでX線放射を検出し、これらの放射はクエーサーに関連するブラックホールまたは「降着」の存在を示しており、これは周囲の銀河をOBGとして特定する上で特に説得力があった。
研究者らはまた、観測結果と重いブラックホールの種の急速な成長のシミュレーションを比較し、両者の間には良い一致があることを発見した。 この比較で彼らが見つけた最良のものは、数億年かけて成長する1万太陽質量の種子でした。
「観察されたUHZ1の多波長特性と理論モデルからのモデル予測との間の優れた一致に基づいて、我々はUHZ1が最初に発見されたOBG候補であり、赤方偏移スペクトルによる確認の対象であると提案する」と著者らはこの発見を説明する論文の中で書いている。 。 「したがって、最初のOBG候補として、UHZ1は宇宙初期の直接崩壊による重い原始種子の形成について説得力のある証拠を提供することになる。」
重い種子がどのようにしてブラックホールの成長を促進するのか
超大質量ブラックホールの巨大さは科学者をあまり悩ませません。 それは、これらの宇宙の巨人が、周囲のガスや塵を食べたり、他のブラックホールと合体したりすることによって、何十億年も成長してきたからです。 たとえば、天の川銀河の中心にある射手座 A* (Sgr A*) は、太陽の質量の約 450 万倍まで成長するのに十分な時間がありました。 M87 と呼ばれる銀河の中心にあるブラックホールは、私たちの星の約 50 億倍の質量を持っているため、再生に成功しました。
しかし、これらの成長メカニズムは数十億年にわたって起こると推定されているため、ビッグバン後5億年からわずか10億年の間に存在した同様の超大質量ブラックホールを検出することは困難です。 これらの大量収集方法では、そのような巨大なブラックホールを生成する時間がありませんでした。 しかし、これはまさに、JWST やその他のツールを使用して初期宇宙を研究している天文学者が発見したものです。
「それは、家族が通りを歩いているのを見るようなものです。彼らには身長6フィート2のティーンエイジャーが2人いますが、身長6フィートの子供もいます。それは少し問題です。子供はどうやってあんなに背が高くなったのですか？」 この研究には関与していないメイヌース大学の研究者ジョン・リーガン氏はSpace.comに語った。 「そして、それは宇宙の超大質量ブラックホールについても同じです。どうやってこれほど急速に巨大化したのでしょうか?」
一つの理論は、これらのブラック ホールは、より小さなブラック ホールの「種」から成長することによって、質量降着プロセスで有利なスタートを切ったというものです。
この点に関しては、2 つの一般的な考え方があります。 一方で専門家らは、超大質量ブラックホールは太陽の10～100倍に相当する質量を持つ軽いブラックホールの種から成長した可能性があると示唆している。 これらの光の種は、理論的には、恒星質量ブラックホールを生成するための標準的なメカニズム、つまり宇宙の第一世代の星の死滅と崩壊を通じて誕生すると考えられます。
一方、初期の超大質量ブラックホールは、太陽の約10万倍の質量を持つ巨大ブラックホールから成長した可能性がある。 これらは、巨大な物質雲の崩壊から直接形成された可能性があり、そのため、他のブラックホールの「星の段階」を完全にスキップしています。 天文学者はブラック ホールを直接崩壊ブラック ホール (DCBH) と呼びます。
その後、DCBH は銀河の合体とともに成長する可能性があり、これは初期の宇宙では一般的であり、これらの空隙にガスと塵の供給ももたらすでしょう。 そして最終的には、他のブラックホールが衝突して合体する可能性があります。
リーガンはこれを、身長 6 フィートの子供が 3 フィートの身長で生まれることに例えています。 まだ少し混乱しています (そしておそらく迷惑かもしれません) が、赤ちゃんがどのようにしてこれほど早く大人のサイズに成長したかをよりよく説明しています。少なくとも、赤ちゃんが平均的な乳児の身長から始まった場合よりも簡単です。
他のより小さなブラックホールの種はOBGを生じるとは予想されていないため、UHZ1がそのような銀河であると特定されたことは、重いブラックホールの種の存在を裏付け、超大質量ブラックホールの初期成長におけるその役割に信憑性を与えるものである。
しかし、著者自身も研究の限界を指摘しており、UHZ1内部のブラックホールの成長が超大質量状態に達しているという外挿には注意を促している。 彼らはまた、この成長の可能性は、潜在的な種子が置かれている環境、つまりその成長をサポートするために必要な大量のガスや塵などの環境に大きく依存することにも共感しています。
重いシードブラックホールの集団が確認され、幼少期の宇宙の超大質量ブラックホールとの関連性が証明されるまでには、まだ多くの研究が必要ですが、これらの発見は少なくとも正しい方向への一歩を示しています。
JWST がさらに発見するにつれて [distant and early] 今後のサイクルでブラックホールを降着させることで、これらの発生源を分析し、チャンドラとのX線類似物質の可能性を調査し、OBGと大量播種の物理学についての理解を深めていく予定です。」
「この発見は、重い種子のシナリオに対するさらなる証拠を提供します」とリーガン氏はSpace.comに語った。 「JWSTで観測された他のブラックホールの質量を考慮すると、証拠の重みは、超大質量ブラックホールの成長の重いシードシナリオを強く示していると言えます。」
チームの研究は Astrophysical Journal Letters に投稿され、現在は Papers リポジトリに公開されています。 arXiv。
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