最古のブラックホールが古代宇宙の貴重な一面を垣間見せる

天文学者たちは、文字通りの霧と比喩的な謎に包まれた宇宙の最初の10億年について、少なくとも2つの根深い疑問を抱いています。彼らは、何が霧を消し去ったのかを知りたいのです。恒星か、超大質量ブラックホールか、それともその両方か？そして、あの巨大なブラックホールはどのようにして、これほど短い時間でこれほど大きくなったのでしょうか？

まさにこの周期の真ん中に超大質量ブラックホールが発見されたことで、天文学者たちは両方の疑問を解明する助けを得ている。「これだけのデータが集まっているなんて、夢のようです」と、ハーバード大学天文学部長のアヴィ・ローブ氏は述べた。

水曜日にネイチャー誌に発表されたこのブラックホールは、これまでに発見された中で最も遠いブラックホールです。その起源はビッグバンから6億9000万年後に遡ります。この天体の分析により、当時、宇宙の曇りを浴室の曇り鏡にヘアドライヤーを当てたように解消した再電離のプロセスが、約半分完了していたことが明らかになりました。研究者らはまた、ブラックホールの質量が、説明の難しい太陽の7億8000万倍にも達していたことを示しています。

パサデナにあるカーネギー研究所の天文学者、エドゥアルド・バニャドス氏率いる研究チームは、超遠方クエーサー（ガスを飲み込む超大質量ブラックホールの目に見える特徴）にふさわしい色の天体を過去のデータから探し、新たなブラックホールを発見した。研究チームは候補天体の予備リストを順に検討し、チリのラス・カンパナス天文台の強力な望遠鏡で一つずつ観測した。3月9日、バニャドス氏は南の空に浮かぶかすかな点をわずか10分間観測した。未処理の生データを見ただけで、それがクエーサー（クエーサーを装ったより近い天体ではなく）であること、そしておそらくこれまでに発見された中で最も古い天体であることが確認された。「その夜は眠れませんでした」と彼は語った。

さらなる観測を経て算出された新たなブラックホールの質量は、既存の問題をさらに深刻化させる。ブラックホールは宇宙物質がブラックホールに落ち込むことで成長する。しかし、この過程で光と熱が発生する。ある時点で、ブラックホールに落ち込む物質から放出される放射線が過剰な運動量となり、新たなガスの落下を阻害し、流れを乱してしまう。この綱引きによって、ブラックホールの成長速度に実質的な限界が生じ、エディントン速度と呼ばれる。もしこのブラックホールが星サイズの天体として始まり、理論上可能な限りの速度で成長したとしたら、推定質量に時間内に到達することは不可能だったはずだ。

他のクエーサーも、このような早熟な重さを共有しています。2011年に報告された、現在知られている中で2番目に遠いクエーサーは、宇宙の7億7000万年を経て、推定20億太陽質量に達しました。

これらの天体は、質量がそれほど大きいには若すぎる。「稀ではあるものの、確かに存在しており、どのように形成されるのかを解明する必要がある」と、イェール大学の天体物理学者プリヤムバダ・ナタラジャン氏は述べた。同氏は今回の研究チームには参加していない。理論家たちは長年にわたり、コンピューターモデルでブラックホールを巨大化させる方法を研究してきたとナタラジャン氏は述べた。最近の研究では、これらのブラックホールは断続的に急成長し、その際にエディントン速度をはるかに超える量のガスを飲み込んでいた可能性があることが示唆されている。

バニャス氏らは別の可能性も検討した。新たなブラックホールの現在の質量から始めて、テープを巻き戻し、エディントン速度で物質を吸い込み、ビッグバンに近づくまで続けると、ブラックホールは当初、太陽の1000倍以上の質量を持つ天体として形成されたはずだという。このアプローチでは、初期宇宙で崩壊した雲が、太陽の数千倍から数万倍の質量を持つ、大きく成長した赤ちゃんブラックホールを生み出したとされる。しかし、このシナリオには、ガス雲が通常の場合のように多数の星に分裂するのではなく、単一の天体に凝縮するような例外的な条件が必要である。

宇宙の暗黒時代

宇宙の初期、星やブラックホールが存在する以前、むき出しの陽子と電子が混沌とした争いを繰り広げ、水素原子が作られました。これらの中性原子は、最初の星から発せられる明るい紫外線を吸収しました。数億年後、若い星やクエーサーが十分な光を放出し、これらの原子から電子を剥ぎ取り、宇宙の霧を夜明けの霧のように消し去りました。

天文学者たちは、ビッグバンから約10億年後には再電離がほぼ完了していたことを知っていました。当時、中性水素は痕跡程度しか残っていませんでした。しかし、新たに発見されたクエーサーの周囲のガスは、約半分が中性で、半分が電離しており、少なくとも宇宙のこの部分では、再電離はまだ半分しか終わっていなかったことを示しています。「再電離の時代を真に地図化することは、非常に興味深いことです」と、テキサス大学の天体物理学者フォルカー・ブロム氏は述べています。

再電離を促した光源が初めて点灯したとき、不透明な宇宙はスイスチーズのように切り開かれたに違いありません。しかし、これらの光源が何であったか、いつ起こったか、そしてその過程がどれほど不均一であったか、あるいは均一であったかは、依然として議論の的となっています。この新しいクエーサーは、再電離が比較的遅い時期に起こったことを示しています。このシナリオは、既知の初期銀河とその恒星の集団が起こし得たことと一致しており、天文学者がより早く電離を達成するためにさらに古い光源を探す必要はありません、とハイデルベルクにあるマックス・プランク天文学研究所の研究共著者であるブラム・ベネマンス氏は述べています。

今後、さらに多くのデータポイントが得られるかもしれません。中性水素自体からの放射の探索に取り組んでいる電波天文学者にとって、今回の発見は、彼らが適切な時期に観測を行っていることを示しています。「良い知らせは、彼らが観測できる中性水素が存在するということです」とローブ氏は言います。「私たちはそれを確信していませんでした。」

研究チームは、初期宇宙の異なる場所で、同時期に遡るクエーサーをさらに発見したいと考えています。バニャス氏は、このような非常に遠く、非常に明るい天体が全天に20個から100個あると考えています。今回の発見は、彼の研究チームが南天で行った探査によるもので、来年には北天でも探査を開始する予定です。

「それがうまくいくことを願っています」とブロム氏は言った。長年にわたり、初期の宇宙の姿を最もよく垣間見せてくれると思われる様々な種類の天体の間でバトンが渡されてきたと彼は言った。最近では、遠方の銀河や一瞬のガンマ線バーストに注目が集まっている。「人々はクエーサーをほとんど諦めていました」と彼は言った。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。