2024年、テキサス大学オースティン校のCosmic Frontier Centerが主導する国際天文学者チームは、CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey（CAPERS）というプログラムを開始した。このプログラムは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のデータを使用して「宇宙の夜明け」における銀河を特定することを目的としている。この宇宙の夜明けはビッグバンから10億年未満の時期に起こり、宇宙で最初の銀河が形成された時期だ。最近の研究で、CAPERSチームは約133億光年離れた銀河（CAPERS-LRD-z9と指定）の中心にブラックホールの存在を確認した。
これにより、このブラックホールは科学者によって観測された最古のものとなり、この初期の時代におけるブラックホールの進化と宇宙の構造を研究する機会がもたらされることになる。この研究は、テキサス大学オースティン校Cosmic Frontier Centerの博士研究員候補であるAnthony J. Taylorが主導し、CAPERSコンソーシアムの複数のメンバーが参加した。彼らの発見を詳述した論文は、8月6日に『The Astrophysical Journal Letters』に掲載された。
1970年代、科学者たちはほとんどの大質量銀河が中心に超大質量ブラックホール（SMBH）を持つことを発見した。これにより、銀河の中心領域が周期的に円盤内のすべての星を凌ぐほど明るくなる理由が説明された。これは活動銀河核（AGN）という用語につながり、これらの明るい銀河中心を表し、より暗く活動的でない銀河と区別している。JWSTの配備により、天文学者たちはついにこれらの巨大天体の初期の祖先（または「種」）を観測し、それらが銀河の進化にどのように影響を与えたかを研究する機会を得ている。
CAPERS-LRD-z9は、最初にPublic Release IMaging for Extragalactic Research（PRIMER）調査によって、JWSTの近赤外線カメラ（NIRCam）と中間赤外線装置（MIRI）を使用して特定された。JWSTによって特定された多くの銀河と同様に、CAPERS-LRD-z9は、ビッグバンから15億年後に存在した「小さな赤い点」として知られる新しいクラスの銀河の一部であり、非常にコンパクトで赤く、驚くほど明るい。追跡観測を行う中で、CAPERSチームはJWSTの近赤外線分光器（NIRSpec）を使用してNIRSpec/PRISMスペクトロスコピーを実施し、高速で移動するガスの明確な兆候を特定した。
ガスと塵がブラックホールの周りを回転し、その表面に降着すると、相対論的速度（光速に近い速度）まで加速される。我々の観測機器に対して相対的に遠ざかるガスはスペクトルの赤い端にシフトするのに対し、こちらに向かって移動するガスはより青い波長にシフトする。チームがCAPERS-LRD-z9から来るスペクトル特性を調べたとき、両方の存在を検出し、約133億光年離れたブラックホールを特定したことを確認した。天文学者はさらに遠い候補をいくつか発見しているが、ブラックホールに関連する特徴的な分光学的特性はまだ発見されていない。
「ブラックホールを探すとき、これは実質的に遡ることができる限界です。私たちは現在の技術が検出できる限界を本当に押し広げています」とTaylorはUT Newsのリリースで述べた。「CAPERSの最初の目標は、最も遠い銀河を確認し研究することです」と、CAPERSチームリーダーの共著者Mark Dickinsonは付け加えた。「JWSTの分光法は、それらの距離を確認し、物理的特性を理解するための鍵です」。
CAPERS-LRD-z9の中心にSMBHの種が存在することは、天文学者にそれを行うユニークな機会を提供している。まず、この銀河は、小さな赤い点の予想外の明るさの源がSMBHであるという理論を支持している。この明るさは通常、恒星の豊富さに起因するとされているが、これは現在の宇宙論モデルと矛盾しており、これらの銀河にはこれほど多くの恒星を形成する十分な時間がなかったことを示唆している。さらに、ブラックホールは消費するガスと塵を圧縮し、膨大な量の光と熱を放出するため、明るく輝いている。
CAPERS-LRD-z9におけるSMBHの種の存在を確認することは、非常に初期の銀河におけるこのプロセスを説明するのに役立つ。この銀河はまた、LRD銀河の特徴的な赤い色を説明するのにも役立つ可能性がある。これは、ブラックホールを取り囲む厚い塵の雲によるものかもしれない – これは、より最近の銀河で観測されている現象である。さらに、ブラックホールのサイズ（太陽の質量の最大3億倍）は予想外の発見であり、円盤内のすべての恒星の質量の約半分である。これは、ビッグバンから10億年未満の時期に存在した銀河における他のSMBHの種で天文学者が気づいたことと類似している。
したがって、この発見はまた、天文学者にこれらのブラックホールがどのようにしてこれほど速く大きく成長できたかを研究する機会を提供している。「これは、初期のブラックホールが私たちが可能だと考えていたよりもはるかに速く成長したという証拠の増加に加わるものです」と、Cosmic Frontier Centerのディレクターである共著者のFinkelsteinは述べた。「あるいは、それらは私たちのモデルが予測するよりもはるかに大質量で始まったのです。」
今後、チームはCAPERS-LRD-z9についてより高解像度のデータを収集し、初期宇宙における銀河の発展においてブラックホールが果たした役割についてさらに学ぶことを期待している。「これは私たちにとって良いテスト対象です」とTaylorは述べた。「私たちは最近まで初期のブラックホール進化を研究することができませんでしたが、このユニークな天体から何を学べるか楽しみです。」
論文
- The Astrophysical Journal Letters: CAPERS-LRD-z9: A Gas-enshrouded Little Red Dot Hosting a Broad-line Active Galactic Nucleus at z = 9.288
参考文献
