超巨大ブラックホール（クェーサー）のイメージ図/NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

東京大学国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU）の尾上匡房 特任研究員/撮影 大西陽

超巨大ブラックホール誕生の謎――「２つの種」説

――尾上さんは超巨大ブラックホールに関心を持って研究をされているということですが、そもそも「超巨大」とは、どれくらいの大きさなのでしょうか。

尾上匡房 特任研究員（以下敬称略）　ブラックホールは、天文学では星や銀河と同じくらい一般的な天体だと認識されています。軽いものから重いものまでありますが、なかでも「超巨大ブラックホール」は非常に大きな質量を持ったもので、多くは太陽の10万倍から数十億倍の質量を持っています。

――そんなに大きなブラックホールが宇宙のどこにあるのですか。

尾上　ほとんどの銀河の中心に超巨大ブラックホールがあると考えられています。楕円銀河M87の中心にある超巨大ブラックホールを、EHT（イベント・ホライズン・テレスコープ）が撮影した画像が2019年に公開されて大きな話題となりました。M87の超巨大ブラックホールは太陽の65億倍の質量があると言われています。また私たちの住む天の川銀河の中心にも、太陽の約400万倍の質量を持ったブラックホールが存在すると言われています。こちらもEHTによって撮影された画像が2022年に公開されました。

楕円銀河M87の中心にある巨大ブラックホールシャドウ/ EHT Collaboration
ヨーロッパ南天天文台HPより取得

――そんな巨大なものがどうやってできたのでしょう。軽いブラックホールの誕生の過程とは何か違うのでしょうか。

尾上　恒星と同じくらいの質量を持った軽いブラックホールの形成過程は比較的よくわかっています。大質量星が寿命をむかえたときに起こす大爆発（超新星爆発）の後にブラックホールが残されると考えられているのです。一方で、超巨大ブラックホールは存在することはわかっているのですが、その起源ははっきりしていません。

　ただ、超巨大ブラックホールも生まれた当初は軽かったと考えられています。小さな「種」のようなブラックホールがまず生まれて、その種が宇宙の歴史の中でどんどん太っていき、最終的に私たちが現在観測しているような重いブラックホールになったと考えられています。

　しかし、その種が、どのように生まれ、成長してきたのかということはよくわかっていないのです。それらを調べるには、種が生まれた過去の宇宙＝若い宇宙の観測をすることが非常に重要になってきます。

――現時点では、超巨大ブラックホールの「種」の正体はどう考えられているのですか。

尾上　超巨大ブラックホールの種については、主に2つの説があります。簡単に言うと「軽い種」なのか「重い種」なのかということです。どちらの種もブラックホールなのですが、軽い種の候補は、宇宙で最初に生まれた、太陽の100倍以上の質量を持つ星々が寿命をむかえて爆発した後に残されたブラックホールです。

　一方で、初期の宇宙ではもっと重い種ブラックホールが生まれることができたとする説もあります。その場合は星の爆発ではなく、太陽の10万倍から100万倍もの質量のガスのかたまりが、ぎゅっと凝縮してブラックホールになったと考えられています。

　どちらの説にせよ、初期宇宙で生まれた種ブラックホールに、まわりから物質が降ってきて吸い込まれ、時には別のブラックホールと合体しながらどんどん太っていきます。そのようにして超巨大ブラックホールへと成長していくのではないかと考えられています。

超巨大ブラックホールと銀河はともに進化してきた？

――ほとんどの銀河の中心にブラックホールがあるというのは、両者に何か関係がありそうですね。

尾上　近傍銀河での観測、つまり宇宙は138億年前に誕生して膨張してきたのですが、比較的地球に近い距離にある最近の銀河の観測から、銀河の質量と、その銀河中心に存在する超巨大ブラックホールの質量には強い正の相関があることがわかっています。ただ、いくらブラックホールが大きいといっても、銀河と比べれば非常に小さな点でしかありません。点でしかないブラックホールの質量と、星が1000億ほども集まった銀河の質量とが非常によく相関しているのです。

　これまでの研究から、ブラックホールの進化と銀河の進化が非常に密接に関係しており、互いに影響を与え合いながら成長してきたことが示唆されています。このことは、超巨大ブラックホールの起源を知るためにも非常に重要です。

インタビューに答える尾上匡房 特任研究員/撮影 大西陽

――ブラックホールとそれを中心に広がる親銀河の質量は昔から相関していたのですか？

尾上　ブラックホールと親銀河の質量の関係が、遠方にある初期宇宙（＝若い宇宙）ではどうなっているのか。宇宙版の「ニワトリが先か、タマゴが先か」という言い方がされるのですが、ブラックホールと銀河のどちらが先に生まれ、どちらが先に進化してきたのかを探るためには、近傍宇宙での両者の関係と、初期宇宙での関係を比べる必要があります。

　ただこれまでは、銀河とブラックホールの質量比について観測例があるのは100億年前くらいまででした。そのような状況では、時代をさかのぼるにつれてブラックホールが（親銀河の重さに対して）相対的に重くなっていくのか、逆に軽くなっていくのかを見極めるのは難しい。そこで、「史上最強」と言われるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（＝JWST）を使って、現状観測できる最も遠くの宇宙でブラックホールと親銀河を観測しようというのが、今回の研究のモチベーションになっています。

ブラックホールのまばゆさを差し引き、親銀河の光を検出

――尾上さんが参加する国際共同研究チームでは、2023年6月、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使った研究成果を英国の国際学術誌「Nature」のオンライン版に発表されましたね。今回の研究では、どういったことが明らかになったのでしょうか。

尾上　ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使って、以前すばる望遠鏡で発見した、初期宇宙（＝129億年前の宇宙）に存在する活動的な超巨大ブラックホール（＝クェーサー）を観測しました。そして得られた画像を丁寧に解析することで超巨大ブラックホールからの光とブラックホールが住んでいる親銀河の光を分離することに成功しました。これは観測史上、最も遠くの時代でブラックホールが住む親銀河の姿を写しだした成果となります。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ NIRCam（波長3.56 マイクロメートル） で観測したクェーサー HSC J2236+0032。中央がクェーサーの画像。左はクェーサーの周辺も含めた画像。一方、右は中央の画像から超巨大ブラックホールの光を差し引いた親銀河の画像/研究グループ提供

――「ブラックホールと親銀河の光を分けた」とのことですが、そもそもブラックホールはどうして光るのですか。

尾上　ブラックホールは光も出てこられないほど重力が強いので、ブラックホール自体から光が放たれることはなく、ブラックホールしかなければ輝くことはありません。

　ただ周囲にガスなどの物質があると、ブラックホールに向かって物質が落ちていきます。落ちてきた物質はブラックホールのまわりで「降着円盤」と呼ばれる円盤を作ります。物質は円盤内をものすごいスピードでまわりながら徐々にブラックホールへ落ちていくのです。これはお風呂の栓を抜いた時にお湯が渦を巻きながら落ちていくのに似ています。

　円盤には大量の物質が存在しているので、それらがこすれあうことで摩擦熱が生じます。それによって非常に高温になって明るく輝くのです。温度は100万〜1000万度にもなります。その光は非常に明るく、星が1000億個も集まった銀河よりも、1個のブラックホールからの光のほうが数百〜数千倍も明るくなることがあります。

　そうなると、銀河の光がブラックホールのまばゆさにまぎれて見えなくなってしまうのです。

――ブラックホールが明るすぎるというわけですね。そのような中で、どうやって親銀河の光を検出したのでしょうか。

尾上　暗くて広がった親銀河を検出するには、観測画像から明るいブラックホールの光を差し引く必要があります。ブラックホールはコンパクトな天体なので、画像上で点状に写ります。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の画像では点状天体は望遠鏡の特性によって小さな「雪の結晶」のような形で写りますので、この形を各画像上でモデル化できれば、それを元画像から引き算することで空間的に広がった淡い親銀河の光のみを抽出できるのです。

――モデルの作成が研究のカギを握る要素の１つだったと思いますが、具体的にはどのように作ったのでしょうか。

尾上　今回われわれは、ブラックホールを撮影した同じ画像内に写った、別のコンパクトな天体の情報を頼りにしました。それらの天体は初期宇宙ではなく、我々と同じ天の川銀河にある恒星が写り込んだものです。恒星もブラックホールも点状の天体ですから、画像を撮影すると写り方（光の分布）が同じだと考えることができます。今回取得した１つの画像あたり、5～10個くらい十分に明るい星がありましたので、それらの光の形状をもとに「雪の結晶のような形」（＝ブラックホール由来の光）のモデルを作り、今回の成果につなげました。

　そして、そもそもジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が打ち上げられるまでは、100億光年以上先にいるブラックホールの親銀河は暗すぎて写らないか、ブラックホールと同じように点状にしか写りませんでした。画像の感度と鮮明さが足りないことにより親銀河の光の成分を検出できなかったのです。

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