ビッグバンからわずか5億年後に超大質量ブラックホールが発見された – Ars Technica

研究者らは、宇宙で最も古い銀河のいくつかを調べているうちに、活発に摂食している中心ブラックホールを含んでいるように見える銀河を発見した。 研究者らは、放出される放射線の量に基づいて、この質量が銀河全体のおよそ半分に相当すると推定しており、これは現代の銀河と比較して驚くほど高い。

このような大きな天体がビッグバンから5億年後にのみ存在し得るという事実は、その形成方法に厳しい制約を課しており、超大質量ブラックホールが星が関与する中間段階を経ることなく形成されたことを強く示唆している。

古いレントゲン写真

私たちが宇宙で知っている最初の銀河は、重力レンズを通して遠くの銀河にズームインする前景の銀河団を利用したジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用して特定されました。 ウェッブ氏は、特定のアレイによって提供されるレンズを使用して、ビッグバン後 10 億年未満に存在したために画像化された 11 個の銀河を特定しました。

天文学者の国際チームは、現代の銀河の中心に位置する超大質量ブラックホールの存在を確認するために、これらの銀河を調査することを決定しました。 これらの銀河は摂食するときに大量の X 線を放出するため、研究者らはチャンドラに注目しました。 十分なデータを収集するために、チャンドラは 1 つの場所を撮影するのに最大 2 週間を費やしました。

重力レンズによってほぼ4倍に拡大されたUHZ1という名前の銀河と明確に一致しました。 この場所からの X 線は、背景より 4 標準偏差上で際立っていました。 (他の 10 個の銀河に関連する X 線に関する情報があるかもしれませんが、研究者らはそれを別途公表すると述べています。) UHZ1 は z=10 の赤方偏移にあり、これは、約 5 億年前に存在したときの状態で観察していることを意味します。ビッグバンから数年後。

この X 線源からのエネルギー量は、銀河の中心にある超大質量ブラック ホールからエネルギーを得る物体である活動銀河核に相当します。 検出された波長に基づいて、研究者らは、この物体は主銀河内の塵とガスの殻の中に含まれていると考えています。

ブラックホールはどのくらいの速さで食べるのでしょうか?

これらの結果を理解するには、ブラック ホールが周囲の物質をどれだけ速く融合させるかを決定するエディントン限界を理解する必要があります。 にちなんで名付けられました アーサー・エディントン最初の計算を実行したのは、物質がブラックホールに落ちるためにはエネルギーを失う必要があり、そうでなければ物質は単にその周りの軌道に留まるという事実によって限界が決定されました。 このエネルギーは放射線として失われ、近くの物質に吸収され、ブラックホールから遠ざけられます。

その結果、たとえブラックホールが摂食できる物質が豊富にあったとしても、その食事は最終的に制限されることになる。摂食量が多すぎると、放射線によって食物供給が滞ってしまう。 したがって、ブラック ホールの質量が与えられると、エディントン限界は、所定の時間内にブラック ホールが保持できる物質の最大量として計算できます。

物質がブラックホールに向けられている場合、エディントン限界を超える方法があります。 しかし、これらは重力井戸の直下で材料を供給する非常に特殊な組成のガスを必要とするため、エディントンの過供給は一時的な異常であると考えられています。

エディントン限界が機能する最初の方法は、研究者がブラック ホールのサイズを推定するのに役立つことです。 ブラック ホールが放出しているエネルギー量を考慮し、エディントン限界で摂食していると仮定すると、ブラック ホールの質量に下限を設定できます (エディントン限界を下回って摂食していれば、ブラック ホールはより重くなります)。 この計算に基づくと、UHZ1 のブラック ホールは少なくとも 10 でなければなりません。⁷ 太陽の質量の倍。

UHZ1 の星の質量の推定に基づくと、これは、中心のブラック ホールが銀河の質量の半分に相当することを示唆しています。 別の言い方をすれば、ブラックホールは銀河内の他のすべてのものを合わせたものとほぼ同じくらいの質量です。

現在の宇宙では、中心の超大質量ブラックホールは銀河の質量の約 0.1% しか占めていません。 したがって、これは、私たちが UHZ1 を開発の非常に初期段階で捕捉したことを示唆していますが、その年齢を考えると驚くべきことではありません。

超大質量ブラックホールの作り方

この研究は、超大質量ブラックホールの形成にも重要な意味を持っています。 このサイズのものがどのように開発されるかについては 2 つのアイデアがありました。 最初の星は非常に大きく、異常に大きなブラックホールを形成したという考えがあります。 これらは、最初の銀河に存在するガスの濃い環境を餌にして、合体によって急速に成長したと考えられます。

逆の見方は、この成長が遅すぎるということです。 その代わりに人々は、超大質量ブラックホールは常に非常に大きく、宇宙の歴史の非常に初期に非常に高密度のガス雲の直接崩壊によって形成されたと主張しています。

研究者らは、ブラックホールがビッグバンから約2億年後に形成されたと仮定して計算を行った。 彼らは、ガス雲の直接崩壊によって形成されたブラックホールが、UHZ1で見つかったブラックホールの質量に達するには、その歴史全体を通してエディントン限界で栄養を摂取する必要があることを発見した。 対照的に、最初の星の 1 つの超新星によって生成されたブラック ホールは、その歴史全体にわたってエディントン限界の 2 倍のエネルギーを供給する必要があります。

この分析では合体は考慮されていないが、より小さなブラックホールは重力が比較的小さいため、隣接するブラックホールをそれほど多く捉えて合体させることができないだろうと研究者らは指摘している。 エディントンの超供給は可能ですが、このサイズのブラックホールの構築に必要な数億年は持続しそうにありません。

このタイプの分析を行うことができた最初の超大質量ブラック ホールであるため、この結果を慎重に扱うことが重要です。 しかし、ウェッブがこれらの初期銀河についてさらに詳しく知ることに慣れれば、おそらく分析用の初期ブラック ホールの完全なセットを開発できるようになるでしょう。 これにより、最終的にはその形成と発展をより明確に把握できるようになるかもしれません。

物理天文学、2023 年。DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9 （デジタルIDについて）。