宇宙初期の若い銀河で成長している赤ちゃんブラック ホールを示すコンピューター視覚化。クレジット:ジョン・リーガン博士 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用する天文学者は、宇宙がまだ初期の段階にあったときに、超大質量ブラックホール（太陽の質量の数百万倍に達する天体）を発見しました。彼らはどのようにしてこれほど大きく、これほど早く成長したのでしょうか?
自然天文学の新しい研究 初期の宇宙は、若い銀河を、新しく生まれた小さなブラックホールの混沌とした餌場に変えることで、多くの研究者が想定していたよりも容易に宇宙を作った可能性があると主張しています。
「初期の宇宙に存在した混沌とした状態が、初期のより小さなブラックホールを引き起こし、周囲の物質を食い荒らす摂食の狂乱の後に、後に私たちが見る超大質量ブラックホールへと成長することを発見しました」と、アイルランドのメイヌース大学の博士課程候補者であるダクサル・メータ氏は声明で述べた。
メータと彼の同僚は、最初の銀河の非常に鮮明なコンピューター シミュレーションを実行することで、その結論に達しました。これらのデジタル宇宙では、第一世代の星の残骸として始まったブラック ホールが、太陽の質量のおよそ 1 万倍にまで膨張することがありました。
「最先端のコンピューター シミュレーションを使用して、ビッグバンからわずか数億年後に誕生した第一世代のブラック ホールが信じられないほどの速度で成長し、太陽の数万倍の大きさになったことを明らかにしました」とメータ氏は付け加えました。
それは、すべての初期のブラックホールが巨人になったという意味ではありません。しかし、この研究は、驚くべき数の人々がそうする準備ができていた可能性があることを示唆しています。彼らが適切な宇宙近隣に着陸していればの話です。
ブラックホール保育園
ガスがブラックホールに向かって落ちると、ガスは加熱されて輝きます。輝きが十分に強くなると、入ってくるガスを押しのける可能性があります。天文学者はこのバランス点をエディントン限界と呼び、何十年もの間、ブラック ホールの成長に対する一種の宇宙速度の限界として機能してきました。
メイヌース研究チームは、「光の種」ブラック ホールに焦点を当てました。これらは、最初の星が死んだときに誕生した小さなブラックホールです。多くのシナリオでは、これらの種子は中程度の質量から始まり、超大質量に達するまで長時間着実に食べなければなりません。
しかし、彼らのシミュレーションでは、一部のシードは急上昇しました。
研究者らは、集団III星として知られる初期の金属のない星から形成されるブラックホールをモデル化し、通常、現在形成されているほとんどの星よりもはるかに重いと考えられている。最高解像度の実行では、シミュレーションは構造を約 10 分の 1 パーセク (ほぼ星団の内部領域のスケール) まで分解でき、小さなブラック ホールのすぐ周囲にある高密度のガスの流れを追跡できるほど十分に細かく分解できました。
より詳細なシミュレーションにより、低解像度のモデルでは検出できない、短く激しい成長エピソードがキャプチャされました。
研究は、これらの成長スパートは宇宙の基準からすると短期間であり、およそ10万年から100万年続いたことを示している。しかし、最も激しいバーストの際には、いくつかのブラックホールは、シミュレーションにおける通常の限界または短期間の最大 1,000 倍までガスを引き込みました。
より分かりやすく言えば、初期の宇宙ではブラックホールが速度制限を突破することがありました。
これらの暴飲暴食は、ガスが溜まり続けるほど密で寒く、動きが遅い環境に依存していました。しかし、それらはまた、内蔵の遮断装置にも直面していました。近くの星からの爆発、そして場合によってはブラック ホール自体によって注入される熱により、周囲が吹き飛ばされ、ブラック ホールが飢え、成長スパートが終了する可能性があります。
近くで聞く
宇宙の極初期における宇宙構造の出現を示すコンピューター生成画像。クレジット:ジョン・リーガン博士 これまで、これらの初期の巨人を説明する一般的な方法の 1 つは、「重い種」ブラック ホール、つまり、すでに巨大で、時には太陽の質量の 10 万倍にも達して誕生した天体であるという考えでした。大きく始めると、説明すべき成長が少なくなるため、初期の超大質量ブラック ホールのパズルが説明しやすくなります。
新しいシミュレーションでは重いシードが排除されるわけではありません。しかし、この結果は、重いシードが必要であるという仮定を弱めます。
「これらの小さなブラックホールは、初期の銀河の中心で観察される巨大なブラックホールに成長するには小さすぎると以前は考えられていました」とメータ氏は言う。 「私たちがここで示したのは、これらの初期のブラックホールは小さいながらも、適切な条件が与えられれば驚くほど速く成長することができるということです。」
それが正しければ、初期の宇宙では中型のブラックホールがより広範囲に生成され、恒星の残骸と今日の銀河を固定している超大質量の獣との間の足がかりとして機能している可能性がある。シミュレーションでは、いくつかのブラック ホールが、他のブラック ホールと合体するのではなく、主にガスを引き込むことによって、太陽の質量の約 1 万倍まで成長することが示されています。
「この画期的な進歩は、天文学の大きな謎の一つを解き明かします」とチームの博士研究員ルイス・プロール氏は声明で述べた。 「ジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡で観察されたように、宇宙初期に誕生したブラックホールが、これほど早くこのような超巨大サイズに達することができたのは、このためです。」
このアイデアは、初期のブラック ホール集団からの重力波信号を通じて、見るのではなく聞くことも示唆しています。
