初期宇宙の巨大ブラックホールはなぜ急成長できたのか――JWSTが示す3つの手がかり

JWST（ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡）は、初期宇宙にある小型で赤い天体群「リトル・レッド・ドット（LRD）」を捉えてきました。その一部は、周囲の物質を活発に取り込む大質量ブラックホールと関係している可能性があります。

問題は、その数の多さと推定される成長の速さです。普通の恒星が最期に残すブラックホールを出発点にし、そこから着実に成長しただけでは、若い宇宙で現れる大質量ブラックホールを説明しにくいのです。

近年の研究は、答えが一つではない可能性を示しています。最初からより重い「種」を持ち、銀河の相互作用や合体で質量を増やし、時には濃いガスに覆われて通常のクエーサーとは違う姿で成長していた――という見方です。以下の3つは、確立済みの単一解ではなく、互いを補い得る仮説です。

1. 暗黒物質ハローが、より重い「種」を生んだ可能性

「完全には原始的でないブラックホール」という提案は、二つの考え方の中間に位置します。インフレーション直後に原始ブラックホールを直接つくるほど大きな密度ゆらぎを必要としません。代わりに、より穏やかに増幅されたゆらぎが、暗黒物質ハローを非常に早い時期に崩壊させるという考え方です。33

赤方偏移がおよそ200より大きい時期にできたハローでは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）が分子状水素の形成を抑える可能性があります。分子状水素はガスを冷やす重要な経路ですが、これが働きにくければ、流入するガスは通常のように星へ細かく分裂せず、直接崩壊してブラックホールになる条件が整うかもしれません。33

この仕組みの利点は明快です。母銀河の中で通常の星形成が始まるより前にブラックホールが生まれれば、恒星の残骸より早く、そしてより大きな質量で出発できる可能性があります。その分、後から必要となる極端な成長の度合いを小さくできます。もっとも、成長の問題を完全に解決するわけではありません。

ただし、これは理論上の機構です。LRDの集団を本当に説明できるかどうかは、このような希少な初期条件がどの程度の頻度で起きたのか、また予測される後の天体がJWSTの観測と合うのかにかかっています。

2. 接近したLRDペアは、合体による成長を示すのか

別のJWST画像解析研究では、約125億〜128億年前の宇宙に、互いに非常に近いLRDからなる候補ペアが4組見つかりました。うち2組については分光観測で各メンバーの赤方偏移がほぼ一致し、たまたま視線方向に重なっただけではなく、実際に近接していたことを支持する結果が得られています。15

LRDが活発に成長するブラックホールを示しているなら、こうした銀河同士の接近は二つの意味で重要になり得ます。

• ガスの流入：重力相互作用がガスを銀河中心へ導き、ブラックホールの降着を支える燃料を供給する可能性があります。
• 最終的な合体：母銀河が合体すれば、中心のブラックホールは連星をつくり、やがて合体して直接的に質量を増やす可能性があります。

有望な解釈ではあるものの、これはブラックホール合体の直接観測ではありません。現時点で見つかったのはLRDの候補ペアです。両方に大質量で降着中のブラックホールがあるのか、最終的に合体するのかを確かめるには、追加の分光観測や運動に関する制約、そして将来的には重力波による証拠が必要です。現状では、初期宇宙の急成長期に近接環境が重要だった可能性を示す証拠として捉えるのが適切です。15

3. 「ブラックホール星」なら、ガスの内側で急成長を隠せる

MoM-BH-1*は、ブラックホールがどう生まれたか、あるいは別のブラックホールとどう合体するかではなく、「通常の活動銀河核とは異なる見え方をしながら、どう成長し得るか」を考える手がかりです。

提案されている解釈では、この天体は濃い水素のガス包に埋もれ、その内部で物質を降着するブラックホールです。MoM-BH*-1の赤方偏移は7.7569で、宇宙誕生から約6億6000万年の時代に見えています。モデルでは、ガス包は中心からおよそ10〜100天文単位に広がり、太陽系ほどのスケールです。2326

物質がブラックホールへ落ち込む際に放たれたエネルギーは、周囲のガスに吸収・散乱され、再放射されます。その結果、エネルギー源は降着であるにもかかわらず、スペクトルは星のように見え得ます。このモデルは、中心に太陽の約10万倍の質量を持つブラックホールがあり、全光度は太陽の約800億〜1000億倍に達することと整合的だとしています。2426

これはLRDの理解にも重要です。濃いガスはブラックホールへの燃料供給源になる一方、天文学者が観測する光の性質も大きく変えます。ガスに覆われた降着天体の集団が存在するなら、激しく成長しながらも、コンパクトで赤いLRDとして見えるかもしれません。ただし、MoM-BH*-1は例外的な天体であり、現段階ではモデルに基づく解釈です。すべてのLRDが「ブラックホール星」だと示したわけではありません。

一つの特効薬ではなく、多段階の成長シナリオ

3つの考え方を組み合わせると、次のような成長の流れが考えられます。

1. 早く、重く始まる：極端に早く形成されたハローでの直接崩壊が、通常の星形成より前に重い種をつくる。
2. 効率よく食べる：濃いガス包が明るく急速な降着を支え、外からは見えにくくする。
3. 集まって大きくなる：銀河の相互作用とブラックホール合体が質量を加え、さらなるガス流入も促す。

最大の不確実性は、これらがLRD全体でどれほど一般的かという点です。LRDは単一の性質を持つ天体群とは限りません。現在の証拠も、理論的提案、候補ペアの観測、特異な一天体の解釈と、性格が異なります。

それでも、この組み合わせは問いの立て方を変えます。初期宇宙の巨大ブラックホールは、あり得そうにない一本の成長経路だけに頼ったのではなく、複数の方法で生まれ、ガスを取り込み、合体していったのかもしれません。