新たな研究によれば、初期宇宙には予想よりも多くのブラックホールが存在した

2024年10月3日

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超大質量ブラックホールは、宇宙で最も印象的（そして恐ろしい）天体の一つであり、その質量は太陽の約10億倍にもなる。そして、これらが長い間存在していたことが分かっている。

実際、天文学者たちは、クエーサー（急速に成長する超大質量ブラックホール）として知られる、銀河の中心に位置する極めて明るいコンパクトな天体を、宇宙が10億歳未満の時期に検出している。

『Astrophysical Journal Letters』に掲載された我々の新しい研究では、ハッブル宇宙望遠鏡の観測を用いて、初期宇宙には従来の推定よりもはるかに多くの（かなり暗い）ブラックホールが存在していたことを示した。これは興味深いことに、ブラックホールの形成過程を理解するのに役立ち、多くのブラックホールが予想以上に質量が大きい理由を説明できる可能性がある。

ブラックホールは周囲の物質を飲み込むことで成長し、これを降着と呼ぶ。この過程では膨大な量の放射が生じる。この放射による圧力が、ブラックホールの成長速度に根本的な制限を設けている。

そのため、科学者たちは初期の巨大なクエーサーを説明する上で課題に直面した：宇宙時間があまりない中で、物理的に可能な速度以上で成長したか、あるいは驚くほど質量の大きい状態で誕生したかのいずれかでなければならない。

軽い種か重い種か

しかし、そもそもブラックホールはどのように形成されるのだろうか？いくつかの可能性がある。一つは、原始ブラックホールがビッグバンの直後から存在していたというものだ。低質量のブラックホールについては妥当だが、標準的な宇宙モデルによれば、質量の大きいブラックホールが大量に形成されることはない。

ブラックホールは確実に（現在では重力波天文学によって確認されている）、一部の普通の大質量星の短い寿命の最終段階で形成される。このようなブラックホールは、原理的には、星とブラックホールが合体する可能性のある非常に密度の高い星団内で形成された場合、急速に成長する可能性がある。これらの「恒星質量の種」となるブラックホールが、急成長する必要がある。

もう一つの選択肢は、既知の大質量星の約1000倍の質量を持つ「重い種」から形成される可能性だ。そのようなメカニズムの一つが「直接崩壊」で、初期のダークマター（正体不明の目に見えない物質）の構造がガス雲を閉じ込め、背景放射が星の形成を妨げる一方で、ブラックホールへと崩壊した。

問題は、ダークマターのハローのごく一部だけがそのような種を形成するのに十分な大きさに成長することだ。そのため、これは初期のブラックホールが十分に稀であるという説明としてのみ機能する。

多すぎるブラックホール

長年にわたり、宇宙時間の最初の10億年における銀河の数については良い見通しがあった。しかし、これらの環境でブラックホールを見つけることは極めて困難だった（明るいクエーサーのみが証明できた）。

ブラックホールは周囲の物質を飲み込むことで成長するが、これは一定の速度では起こらない – 彼らは「食事」を分けて行うため、時間とともに明るさが変化する。我々は15年間にわたって最も初期の銀河の明るさの変化を監視し、これを用いてブラックホールの新しい統計を作成した。

結果として、当初考えられていたよりも数倍多くのブラックホールが初期の普通の銀河に存在していることが判明した。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を使用した他の最近の先駆的な研究も、同様の結論に達し始めている。全体として、直接崩壊によって形成できる数よりも多くのブラックホールが存在している。

ブラックホールを形成するもう一つの、より特異な方法があり、これは質量が大きく、かつ豊富な種を生み出す可能性がある。星はガス雲の重力収縮によって形成されるが、収縮段階で大量のダークマター粒子が捕獲されると、内部構造が完全に変更され、核反応の点火が妨げられる可能性がある。

そのため、成長は通常の星の典型的な寿命よりもはるかに長く続く可能性があり、それによってかなり質量が大きくなることができる。しかし、通常の星や直接崩壊する天体と同様に、最終的には圧倒的な重力の力に耐えられるものはない。つまり、これらの「ダークスター」もまた最終的には崩壊して大質量ブラックホールを形成するはずだ。

我々は現在、このような過程が宇宙誕生初期に観測される多数のブラックホールを形成するために起こったはずだと考えている。

今後の計画

初期ブラックホール形成の研究は過去2年間で大きな変革を遂げたが、ある意味でこの分野はまだ始まったばかりだ。

Euclidミッションや Nancy Grace Roman宇宙望遠鏡のような新しい宇宙観測所は、初期の時代のより暗いクエーサーの統計を埋めることになる。NewAthenaミッションとオーストラリアと南アフリカのSquare Kilometer Arrayは、初期の時代のブラックホールを取り巻く多くのプロセスについての理解を解き明かすだろう。

しかし、当面注目すべきは本当にJWSTだ。その撮像と監視の感度、そして非常に暗いブラックホール活動を見ることができる分光機能により、最初の銀河が形成される際のブラックホールの数を確定するのに今後5年間が本当に重要になると予想される。

最初の原始星の崩壊に伴う爆発を目撃することで、ブラックホールの形成を実際に捉えることさえできるかもしれない。モデルによればこれは可能だが、天文学者たちの協調的で専念した努力が必要になるだろう。

本記事は、ストックホルム大学宇宙物理学准教授Matthew J. Hayes氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「There were more black holes in the early universe than we thought – new research」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。