次世代の観測所（ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡など）の主な科学的目標の一つは、宇宙の初期銀河、すなわち「宇宙の夜明け」に存在した銀河を観測することである。この時期は、ビッグバンから約5000万年から10億年後に宇宙で最初の星、銀河、ブラックホールが形成された時期である。これらの銀河が初期の宇宙論的期間にどのように形成され進化したかを調べることで、天文学者は宇宙が時間とともにどのように変化してきたかを完全に理解することができる。
以前の記事で述べたように、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の最も遠い観測の結果はいくつかの驚きをもたらした。初期宇宙で銀河が急速に形成されたことを明らかにしただけでなく、これらの銀河の中心には特に大きな超大質量ブラックホール（SMBH）が存在することが観察された。これは従来のモデルではこれらの銀河やブラックホールが形成される時間が十分でないとされていたため、特に困惑させられる結果であった。最近の研究で、Penn Stateの天文学者が率いるチームが、初期宇宙でSMBHがどのように急速に成長したかを説明できるモデルを開発した。
研究チームを率いたのは、Penn StateのEberly Family Chair Professor of Astronomy and AstrophysicsであるW. Niel Brandtである。彼らの研究は、2024年6月9日から6月13日にウィスコンシン州マディソンで開催された第244回アメリカ天文学会（AAS224）の会議で発表された2つの論文に記載されている。最初の論文「Mapping the Growth of Supermassive Black Holes as a Function of Galaxy Stellar Mass and Redshift」は3月29日にThe Astrophysical Journalに掲載され、2つ目の論文はまだ出版されていない。両方の論文の筆頭著者はEberly Collegeの大学院生であるFan Zouである。
論文では、SMBHは主に2つの経路で成長すると述べている。ホスト銀河から冷たいガスを降着するか、他の銀河のSMBHと合体するかである。降着に関しては、過去の研究によりブラックホールの降着率（BHAR）が銀河の星質量やその星の集団の赤方偏移と強く関連していることが示されている。Zhouは最近のNASAのプレスリリースで、「銀河中心の超大質量ブラックホールは太陽の質量の数百万倍から数十億倍の質量を持っている」と説明している。彼らがどうしてこれほどのモンスターになるのか？ これは天文学者が何十年も研究してきた質問であり、ブラックホールが成長するすべての方法を確実に追跡するのは難しいとされている。
研究のために、チームはNASAのChandra X-ray Observatory、ESAのX-ray Multi-Mirror Mission-Newton（XMM-Newton）、Max Planck Institute for Extraterrestrial PhysicsのeROSITA望遠鏡によって得られた最先端のX線空調査データを利用した。彼らは、130万の銀河に存在する8000の活動銀河核（AGN）のサンプルで降着駆動の成長を測定した。これを、銀河の形成、進化、および合体をCosmic Dawnから現在までモデル化した最先端の宇宙論シミュレーションであるIllustrisTNGと組み合わせた。この組み合わせたアプローチは、過去120億年間のSMBHの成長の最良のモデルを提供している。Brandtは次のように述べている：
「ホスト銀河からガスを消費する過程で、ブラックホールは強力なX線を放射し、これは降着による成長を追跡する鍵となる。我々は、宇宙に打ち上げられた最も強力なX線施設から20年以上にわたって蓄積されたX線空調査データを使用して、降着駆動の成長を測定した」。
「我々のハイブリッドアプローチでは、観測された降着による成長と合体によるシミュレーションされた成長を組み合わせて、超大質量ブラックホールの成長史を再現している。この新しいアプローチにより、現在までの超大質量ブラックホールの成長の最も現実的な絵を描いたと考えている」。
彼らの結果は、全ての質量のSMBHが宇宙が若い時に非常に速く成長し、ほとんどの場合、降着がブラックホール成長の主な推進力であったことを示している。また、合体が特に過去50億年において最も大きなSMBHに顕著な二次的貢献をしたことも指摘している。これは、初期宇宙において新しいSMBHが次々と出現したことを示唆しているが、その形成プロセスは約70億年前にはほぼ終結していた。Zouは次のように結論づけている：
「我々のアプローチにより、局所宇宙の中心ブラックホールが宇宙の時間を通じてどのように成長したかを追跡できる。例えば、我々は太陽質量400万の質量を持つ我々の銀河系の中心の超大質量ブラックホールの成長を考察した。我々の結果は、我々の銀河のブラックホールが宇宙の時間において比較的遅く成長した可能性が高いことを示している」。
ZouおよびBrandtに加えて、この国際チームはPenn StateのInstitute for Gravitation and the Cosmosおよび物理学、統計学、天文学・天体物理学の各部門の研究者で構成されている。他のチームメンバーには、University of Michigan、中国のNanjing University、中国のUniversity of Science and Technology、Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics、およびオランダのUniversity of Groningenの研究者が含まれている。
論文
- The Astrophysical Journal: Mapping the Growth of Supermassive Black Holes as a Function of Galaxy Stellar Mass and Redshift
参考文献
- Chandra X-Ray Observatory: Supermassive Black Hole Survey: How do Supermassive Black Holes Get Super Massive?
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