謎の「小さな赤い点」の正体か　初期宇宙でブラックホール星を発見

初期宇宙で「ブラックホール星」を捉えた…「小さな赤い点」の謎を解く手がかり

国際研究チーム、ビッグバン6億6,000万年後の宇宙で観測…高密度ガスに包まれたブラックホールと推定

ビッグバン後わずか数億年しか経っていない初期宇宙で、巨大な星のように見えるが実際には超高密度ガスに囲まれたブラックホールと推定される「ブラックホール星」が初めて捕捉された。

米マサチューセッツ工科大学（MIT）のロハン・ナイドゥ博士が率いる国際研究チームは13日、科学誌『Nature』で、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いてビッグバン6億6,000万年後の宇宙で、星とブラックホールの特性を同時に示す新しいタイプの天体「ブラックホール星（MoM-BH*-1）」を発見したと発表した。

研究チームは、このブラックホール星の中心部に太陽質量の約100万〜1,000万倍の大きさの中心ブラックホールがあり、周囲を太陽系程度の大きさの超高密度水素ガス層が囲んでいると見られると述べた。

MoM-BH*-1は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ映像で、特に赤く明るい点として捕捉された。

この天体は太陽系程度の大きさの巨大な星に似ているが、エネルギー放出量は知られているどの星も物理的に生み出せるものより1,000億倍多いことが示された。これは超大質量ブラックホールが生み出せるエネルギー規模に近い。

また、分光観測では3〜4μm付近で光の強さが20倍以上急激に落ちる強い「バルマー不連続（Balmer break」が確認された。バルマー不連続は一般的に若い星や星団のスペクトルでも現れることがあるが、この天体で観測された不連続は星だけでは説明できる範囲を大きく超えていた。

研究チームはMoM-BH*-1が放出する膨大な量のエネルギーや強力なバルマー不連続などから見ると、星だけではこの天体の特異なスペクトルを説明するのが難しいとし、中心ブラックホールとそれを囲む極めて密なガスを考慮したモデルを提案した。

その後、MoM-BH*-1の正体を明らかにするために、様々な条件を適用した多数の分光合成モデルをシミュレーションし、どの構造が観測結果を最もよく説明するかを分析した。

その結果、太陽質量の約100万〜1,000万倍と推定される中心ブラックホールがあり、周囲を極めて密度の高い乱流性水素ガスが囲んでいる場合、MoM-BH*-1で観測されたエネルギー放出量とスペクトル特性などと最もよく一致することが示された。

研究チームは中心の活動的ブラックホールから出た放射エネルギーが周囲の超高密度水素ガス層を通過する場合、MoM-BH*-1が独特に赤い姿を見せることやスペクトルで強力なバルマー不連続が現れる現象などがよく説明されると述べた。

最も適合したモデルでは、水素粒子密度が1㎤あたり約1,000億個に達し、乱流速度は秒速約500㎞、ブラックホールを囲むガス層の規模は約10〜100天文単位（AU：約1億5,000万㎞）であることが示された。

研究チームは、この天体を探査プログラムの名前を取ってMoM-BH*-1と名付け、「ブラックホール星」という愛称を付けた。ブラックホール星はこの天体が初期宇宙で高密度ガスに囲まれたまま急速に成長するブラックホールである可能性を意味する。

彼らは、この研究がこれまでジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が初期宇宙で相次いで捕捉した謎の天体「小さな赤い点」の正体を理解するのに寄与すると期待している。

ナイドゥ博士は「この小さな赤い点は初期宇宙のどこにでもあるように見えるが、現在の宇宙では事実上消えてしまった」と述べ、「この天体が正確に何であるかは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡稼働以降、最も多くの議論を呼び起こしたテーマの一つだ」と語った。

続けて「すべての小さな赤い点は一般的な初期銀河にあるブラックホール星だと考えれば説明がつく。しかしMoM-BH*-1が特別な点は、ブラックホール星が周囲の母銀河よりもはるかに明るく、私たちが純粋なブラックホール星の光を見ているということだ」と付け加えた。