天文学者たちは、非常に古い超大質量ブラックホールを発見してきました。これは、宇宙がかなり若い頃に形成されたものです。しかし、宇宙そのものが幼児だったときに、ブラックホールがこのような途方もない大きさに成長する方法に戸惑いました。
天文学者たちは今、これらのモンスターのブラックホールの形成を可能にした、ビッグバンから5億年後に存在する独特の条件のセットを発見しました。異常な強烈な放射線源が「直接崩壊ブラックホール」と呼ばれるものを作り出しました。
「それは宇宙の奇跡です」とテキサス大学オースティン校のフォルカーブロムは言いました。 「宇宙の歴史において、条件が形成されるのにちょうど良いのは、このときだけです。」
ブラックホールがどのように形成されるかについての従来の理解は降着理論と呼ばれ、非常に大規模な星が崩壊し、ブラックホールの「種」は、周囲からガスを引き込み、小さなブラックホールの融合によって崩壊から構築されます。しかし、そのプロセスには長い時間がかかり、これらの急速に形成されるブラックホールが存在していた時間よりもはるかに長くかかります。さらに、初期の宇宙には、超大質量ブラックホールが巨大なサイズに成長するために必要なガスとダストの量がありませんでした。
新しい発見は、代わりに、ガスの雲が崩壊したときに最初のブラックホールの一部が直接形成され、他の中間段階（大規模な星の形成やその後の破壊など）を迂回したことを示唆しています。
もちろん、他のブラックホールと同様に、これらの「直接崩壊」ブラックホールは見ることができません。しかし、それらは若い宇宙で検出された非常に明るいクエーサーに電力を供給するために必要であるため、それらの存在の強力な証拠がありました。クエーサーの素晴らしい明るさは、物質が巨大なブラックホールに螺旋を描き、数百万度に加熱され、宇宙全体にビーコンのように輝くジェットを生み出すことから生まれます。しかし、降着理論は極端に遠い宇宙、つまり若い宇宙の超大質量ブラックホールを説明していないため、天文学者はクエーサーも説明できませんでした。これは「クエーサー種子問題」と呼ばれています。
「初期宇宙で観測されたクエーサーは、通常の乳児でいっぱいの分娩室にいる巨大な赤ちゃんに似ています」と、ブロムと共同で働いたハーバード・スミソニアン宇宙科学センターのアビ・ローブは言いました。 「人は不思議に思っています。これらの巨大な赤ちゃんを育てた環境の何が特別なのでしょうか。通常、天の川のような近くの銀河の冷たいガス貯留層は、主に星形成によって消費されます。」
しかし2003年に、ブロムとローブは、そうでなければ禁止されていた星形成からのエネルギー入力を抑制することにより、初期の銀河に超大質量のブラックシードホールを形成させる理論的なアイデアを思いつきました。彼らはこのプロセスを「直接崩壊」と呼んだ。
「紫外線の海で苦しめられている水素とヘリウムの原始的な雲で始まる」とブロムは言った。 「あなたはこの雲を暗黒物質ハローの重力場でクランチします。通常、雲は冷え、断片化して星を形成することができます。ただし、紫外光子はガスを高温に保ち、星の形成を抑制します。これらは望ましい奇跡に近い条件です：断片化せずに崩壊！ガスがますますコンパクトになるにつれて、最終的には巨大なブラックホールの条件が整います。」
この一連の宇宙条件はごく初期の宇宙にのみ存在していたようで、このプロセスは今日の銀河では起こりません。
彼らの理論をテストするために、ブロム、ローブ、および彼らの同僚のアーロン・スミスは、C7MOSと呼ばれる銀河の研究を始めました。
リスボン大学のデビッドソブラルは、ケックやVLTを含む世界最大の地上望遠鏡のいくつかでCR7の追跡観察を行いました。これらにより、CR7からのライトシグネチャの非常に珍しい機能がいくつか明らかになりました。具体的には、Lyman-alpha水素ラインは予想よりも数倍明るい。驚くべきことに、スペクトルは異常に明るいヘリウム線も示しました。
「この線源を駆動しているものはどれも非常に高温です。ヘリウムをイオン化するのに十分なほど高温です」と、スミス氏は述べています。
これらおよびその他のスペクトルの異常な特徴は、原始星のクラスターまたは直接の崩壊によって形成された可能性が高い超大質量ブラックホールのいずれかである可能性があることを意味しました。
スミスは両方のシナリオのシミュレーションを実行し、スタークラスターシナリオは「見事に失敗しました」が、直接崩壊ブラックホールモデルはうまく機能しました。
また、今年の初めに、チャンドラX線天文台、ハッブル宇宙望遠鏡、スピッツァー宇宙望遠鏡からの結合データを使用して、これらの可能なブラックホールの種を特定しました。彼らは2つのオブジェクトを見つけました。これらは両方とも、赤外線データの理論上のプロファイルと一致しました。 （ここで彼らの論文を読んでください。）
天文学者たちはクエーサーの種の問題と初期のブラックホールの難問を解決したことで「このモデルに収束している」ようです。
乞うご期待。
ブロム、ローブ、スミスの作品は、Royal Astronomical SocietyのMonthly Notices誌に掲載されています。
出典：
RAS、ハーバードスミスソニアンCfA、NASAによる直接崩壊ブラックホールの今年初めの検出に関するプレスリリース。
