初期宇宙に孤立した超大質量ブラックホールを発見(ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡)

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　ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で130億年前の宇宙を覗き込んだ天文学者たちは、驚くべきことに空っぽの空間で孤立したクエーサーを発見したそうだ。

　クエーサーは超大質量ブラックホールを中心に宿した活動銀河核だと考えられているが、問題はそんな怪物のような存在が誕生まもない宇宙に存在していることだ。しかもその周辺に成長をうながすエサが見当たらないのだ。

　成長までに時間がかかるはずの超大質量ブラックホールが、なぜ初期宇宙に存在するのか？

　この謎を解明するヒントを期待していた天文学者たちだが、最新の観測結果のおかげでいっそう難解な謎を突きつけられてしまったようだ。

初期宇宙に超大質量ブラックホールが存在する謎

　マサチューセッツ工科大学をはじめとする国際的チームによる今回の研究では、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）により、誕生から6～7億年しか経っていない古い宇宙で形成された複数の「クエーサー」が観察された。

　宇宙最初期のものと思われるクエーサーは全部で5つ。それらの観察から明らかになったのは、そうしたクエーサー周囲の環境が驚くほど多種多様だったということだ。

　あるものの周囲は想像していた通り物質が密集した空間だったが、またあるものは何もない空っぽの空間に孤立して存在していた。

　問題は、そうした空っぽの環境で、どうやって怪物のような超大質量ブラックホールが誕生できたのかということだ。エサなどどこにもないのに、怪物はどうやって成長できたのだろう？

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天文学者を悩ませる謎がさらに難解なものに

　クエーサーとは、あまりにも明るくて星のように見える遠方の天体のことだ。

　星のようには見えるが、その正体は中心に「超大質量ブラックホール」が鎮座する活動銀河の核（活動銀河核）だと考えられている。

　一般にブラックホールと呼ばれるものは、太陽の5～数十倍の重さの星が崩壊することで誕生する天体のことだ。

　一方、超大質量ブラックホールは太陽の数百万倍から数十億倍もの質量がある。

　崩壊してこれほどのブラックホールになれる恒星など存在しないため、この怪物のようなブラックホールはまた別の方法で誕生しているはずだ。

　では別の方法とはどのようなものなのか？

　 もっとも有力な仮説は、ブラックホール同士の合体を通じてだんだんと大きくなったものが超大質量ブラックホールであるとするものだ。

　だが、このプロセスには10億年以上かかるとされている。

　それならば、なぜビッグバンから6～7億というごく初期の宇宙に超大質量ブラックホールが存在するのか？ これは天文学者にも説明できない宇宙の大きな謎だ。

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　しかも今回のクエーサー（とその中にあるだろう超大質量ブラックホール）の中には、周囲にほとんど何もない空っぽの空間で孤立したものまである。

　超大質量ブラックホールが合体によって成長するのならば、それすらできない環境にあるものはどうやって巨大化できたのだろうか？

　つまり、今回の研究によって、天文学者を悩ませてきた問題はますます難問になってしまったのだ。

銀河全体の形成理論すらくつがえす可能性

　今回の研究チームは2022年8月から2023年6月にかけてJWSTが観測した画像をつなぎ合わせて、５つのクエーサーの周辺環境を調査した。

　その際には、画像に映る多様な波長の光を処理することでクエーサーの近隣銀河からやってきた光を特定し、その銀河とクエーサーとの距離が測定された。

　マサチューセッツ工科大学の物理学者アンナ・クリスティーナ・アイラーズ氏は、「5つのクエーサーの唯一の違いは、その環境がバラバラであること」だったとプレスリリースで述べている。

　たとえば、周囲に50もの銀河が存在するクエーサーがあるかと思えば、わずか2つしか銀河がないクエーサーもあった。

　その一方、大きさ・ボリューム・明るさ・宇宙の年齢といった点は、どちらのクエーサーも同じなのだ。

　この発見は、超大質量ブラックホールの成長理論どころか、銀河全体の形成についての従来の理論をくつがえす可能性があるものだ。

　現在の理解によれば、すべての銀河を俯瞰して見ると、その進化は「ダークマター」（全物質の約85％を占めるが、目に見えないとされる仮説上の物質）が織りなす巨大な網の目構造「コズミック・ウェブ」に沿って進むとされている。

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　生まれてまもない宇宙をただようガスや塵は、この網の目の沿うように集められる。すると、コズミック・ウェブの糸が交差するところでは、物質が濃密に集まった空間が形成されるようになる。宇宙初期の銀河が形成されたのがこの場所だ。

　このことは、宇宙最初のクエーサーや超大質量ブラックホールについても言うことができる。

　それらはコズミック・ウェブから供給されるガスや塵をエサにして成長し、やがてとんでもない輝きを放つようになる…はずなのだが、先述したように、天文学者はそれがなぜごく初期の宇宙に存在しているのかうまく説明できていない。

私たちが解明したい主な謎は、ごく若い宇宙に、どうやって太陽10億個分の質量を持つブラックホールが形成されるのかということです（アイラーズ氏）

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　そして今回の発見は、かねてから天文学者を悩ませきていたこの問題をいっそう難問にしてしまった。

　空っぽな空間にあるクエーサーは、ダークマターもコズミック・ウェブの過密空間もないことを示している可能性がある。

　だとするなら、現在の超大質量ブラックホールの成長理論では、それらの存在を説明することができない。

　もしかしたら、こうしたクエーサーは実際には塵に囲まれているのに、ただ観測できていないだけという可能性もある。

　研究チームは今後、この可能性を追求し、一見空っぽに思われる空間に隠れた銀河ないかどうか探すつもりであるそうだ。

　この研究は、『The Astrophysical Journal』（2024年10月17日付）に掲載された。

References: Astronomers detect ancient lonely quasars with murky origins | MIT News | Massachusetts Institute of Technology / James Webb Space Telescope sees lonely supermassive black hole-powered quasars in the early universe | Live Science

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