天文学者によって記録された最も遠いブラックホールは、私たちの宇宙とほぼ同じくらい古い

天文学者たちは、これまで観測された中で最も遠い超大質量ブラックホールを発見した。彼らは「宇宙拡大鏡」、つまり重力レンズ効果の助けを借りた。これは、巨大な天体が時空に大きな曲率を作り出し、その周囲の光の進路がレンズのように曲げられる場合に起こる。

ブラックホールは銀河団 Abell 2744 の方向にある銀河 UHZ1 にあります。この銀河団の年齢は約 132 億年です。チームは NASA のチャンドラ X 線観測衛星とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を使用して、成長中のブラックホールの明らかな兆候を発見しました。ブラックホールはビッグバンからわずか 4 億 7000 万年後に形成され始めました。当時、宇宙の年齢は現在の約 137 億年のわずか 3% でした。この銀河は銀河団自体よりもはるかに遠く、地球から 132 億光年離れています。

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天文学者たちは、このブラックホールが非常に若いのは、非常に巨大だからだと判断できる。ブラックホールは時間とともに蒸発する。NASAによると、銀河中心のブラックホールのほとんどは、そのホスト銀河の星の約10分の1に等しい質量を持つ。この初期のブラックホールは成長しており、質量は銀河全体と同等である。天文学者たちはこれまでこの段階のブラックホールを目撃したことがなく、これを研究することで、宇宙で最初の超大質量ブラックホールのいくつかがどのように形成されたかを説明するのに役立つ可能性がある。この発見は、11月6日にNature Astronomy誌に掲載された研究で詳述されている。

「この非常に遠い銀河を見つけるにはウェッブが必要で、その超大質量ブラックホールを見つけるにはチャンドラが必要でした」と、研究の共著者で天文学者のアコス・ボグダン氏は声明で述べた。ボグダン氏はマサチューセッツ州ケンブリッジにあるハーバード・スミソニアン天体物理学センターに所属している。

「我々はまた、検出した光の量を増やす宇宙の拡大鏡も利用しました」とボグマン氏は付け加えた。この拡大効果は重力レンズとして知られている。チームはチャンドラで2週間X線観測を行った。彼らは銀河から、超大質量ブラックホールの特徴である強烈で過熱したX線を放射するガスを観測した。銀河から来る光と超大質量ブラックホールの周りのガスからのX線は、銀河団から来る高温のガスと暗黒物質によって拡大された。この効果は「宇宙の拡大鏡」のようなもので、JWSTが検出できる赤外線信号を強化し、チャンドラが微弱なX線源を見ることを可能にした。

「ブラックホールは形成された後、どれだけ速く成長できるかには物理的な限界があるが、より大きく生まれたものは有利なスタートを切っている。それは苗木を植えるようなもので、種だけから始めるよりも、完全な大きさの木に成長するのにかかる時間が短い」と、研究の共著者でプリンストン大学の天文学者アンディ・ゴールディング氏は声明で述べた。

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この現象を観察することで、一部の超大質量ブラックホールがビッグバンのエネルギー爆発の直後に巨大な質量に衝突する仕組みを解明するのに役立つ可能性がある。これらの超大質量ブラックホールの起源については、軽い種理論と重い種理論という2つの対立する理論がある。軽い種理論では、星が崩壊して恒星質量ブラックホールになり、その後、時間の経過とともに超大質量ブラックホールに成長するとされている。重い種理論では、個々の星ではなく、大きなガス雲が崩壊して凝縮し、超大質量ブラックホールを形成する。この新しく発見されたブラックホールは、重い種理論を裏付ける可能性がある。

「これは『特大ブラックホール』の初めての検出であり、ブラックホールの一部が巨大なガス雲から形成されるというこれまで得られた最良の証拠であると考えています」と、研究の共著者でイェール大学の理論天体物理学者プリヤムバダ・ナタラジャン氏は声明で述べた。「超大質量ブラックホールが銀河の星とほぼ同じ重さになり、その後衰退する短い段階を初めて観測しています。」

研究チームは、このデータと、JWSTや他の宇宙望遠鏡から得られるさらなるデータを活用して、初期宇宙のより詳細な画像を作成することを計画している。