今日の望遠鏡の大幅に改善された機能のおかげで、天文学者は宇宙の奥深くまで、そして過去にさかのぼって探究しています。そうすることで、彼らは宇宙がビッグバン以来どのように進化したかについてのいくつかの長年の謎に対処することができました。これらの謎の1つは、宇宙初期に形成された銀河の進化に重要な役割を果たす超大質量ブラックホール（SMBH）です。
チリにあるESOの超大型望遠鏡（VLT）を使用して、天文学者の国際チームが、ビッグバン（約125億年前）から約15億年後に出現する銀河を観察しました。驚くべきことに、彼らは、SMBHに十分な「食料源」を提供できた可能性のある冷たい水素ガスの大きな貯蔵所を観察しました。これらの結果は、Cosmic Dawnとして知られている期間にSMBHがどのように急速に成長したかを説明できます。
チームは、マックスプランク天文学研究所（MPIA）とマックスプランク天文学研究所（MPA）のエマヌエーレパオロファリーナ博士が主導しました。彼は、MPIAとMPAの両方の研究者、ヨーロッパ南部天文台（ESO）、UCサンタバーバラ、アルセトリ天体物理観測所、ボローニャの天体物理学および宇宙科学天文台、マックスプランク地球物理学研究所（MPEP）の研究者と一緒に参加しました。
何十年もの間、天文学者はSMBHを研究してきました。SMBHはほとんどの銀河のコアに存在し、それらの活動銀河核（AGN）によって識別されます。クエーサーとしても知られているこれらの核は、銀河内の他の星を合わせたものよりも多くのエネルギーと光を放出することができます。現在までに観測された最も遠いものは、131億光年離れたところにあるULAS J1342 + 0928です。
最初の星がビッグバンからちょうど10万年後（約138億年前）に形成されたと推定されることを考えると、これはSMBHが最初の星から急速に形成されて死ぬ必要があったことを意味します。しかしこれまで、天文学者は宇宙の初期にこの急速な成長を説明するのに十分な量のダストとガスを発見していませんでした。
さらに、Atacama Large Millimeter / submillimeter Array（ALMA）で以前に行われた観測により、初期の銀河には大量のダストとガスが含まれており、それが急速な星形成を促進していることが明らかになりました。これらの調査結果は、ブラックホールに供給するための材料があまり残っていないことを示しており、ブラックホールが急速に成長する方法の謎を深めるだけでした。
これに対処するために、ファリーナと彼の同僚は、VLTのMulti Unit Spectroscopic Explorer（MUSE）機器によって収集されたデータに依存して、約125億光年の距離にある31個のクエーサーを調査しました（したがって、125億年前の様子を観察していました）。これは彼らの調査を宇宙のこの初期の期間からのクエーサーの最大のサンプルの1つにします。彼らが発見したのは、12個の拡張された驚くほど濃い水素雲でした。
これらの水素雲は、UVライトの特徴的なグローによって識別されました。距離と赤方偏移の影響（宇宙の膨張により光の波長が引き伸ばされる）が与えられると、地球に閉じ込められた望遠鏡はグローを赤色光として認識します。 FarinaがMPIAプレスリリースで説明したように、
“輝くガスの最もありそうな説明は蛍光のメカニズムです. 水素は、クエーサーのエネルギーが豊富な放射を特定の波長の光に変換します。これは、かすかに見えることです。”
太陽の質量の数十倍にもなる、冷たく濃い水素の雲が初期の銀河の周りにハローを形成し、中央のブラックホールから10万光年にわたって広がっていました。通常、クエーサー（非常に明るい）の周りのそのような雲を検出することはかなり困難です。しかし、ファリーナが「ゲームチェンジャー」と表現したMUSE装置の感度のおかげで、チームはそれらをかなり迅速に見つけました。
研究に貢献したMPIAの研究者であるAlyssa Drakeは次のように述べています。
“現在の研究では、最初の超大質量ブラックホールがどのように急速に発達したかを調査し始めたばかりです. しかし、MUSEや将来のJames Webb Space Telescopeのような新しい機器は、これらのエキサイティングなパズルを解決するのに役立ちます。”
チームは、これらのガスハローが銀河にしっかりと結合していることを発見しました。これは、急速な星形成と超大質量ブラックホールの成長の両方を維持するための完璧な「食料源」を提供します。これらの観測は、超巨大ブラックホールが宇宙の歴史の非常に早い段階でどのように存在するかという謎を効果的に解決します。 Farinaが要約すると、
“私たちは、原始銀河が超巨大ブラックホールの成長と活発な星形成の両方を維持するのに十分な食物を環境に持っていることを初めて証明することができました. これは、天文学者が120億年以上前に宇宙構造がどのように形成されたかを想像するために構築しているパズルに根本的な要素を追加します。”
将来、天文学者は初期の宇宙で銀河とSMBHを研究するためのさらに洗練された機器を手に入れ、古代のガス雲についてさらに詳細を明らかにするでしょう。これには、ESOの超大型望遠鏡（ELT）や、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）などの宇宙ベースの望遠鏡が含まれます。
チームの調査結果を説明する調査は、12月20日号に掲載されました。 天体物理ジャーナル.
