【ITニュース解説】A single, 'naked' black hole confounds theories of the young cosmos

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が、宇宙の初期段階で非常に珍しい「裸のブラックホール」を発見した。この発見は、これまで考えられてきた初期宇宙におけるブラックホールの形成に関する理論を大きく揺るがすものだ。

この「裸のブラックホール」は、UHZ1と名付けられた銀河の中心に位置している。通常、ブラックホールは、周囲の星やガス、塵を巻き込みながら成長し、活発な星形成領域の中心に存在する。しかし、UHZ1の中心にあるこのブラックホールは、周囲に多くの星を伴っていないように見えることから「裸の」と表現されている。これは、周囲にほとんど何も存在しないかのような状態だ。

これまでの宇宙論では、初期宇宙で誕生したブラックホールには主に二つのシナリオが考えられていた。一つは、太陽よりもはるかに重い巨大な星が一生の終わりに超新星爆発を起こし、その残骸が重力崩壊してできる「恒星質量ブラックホール」というものだ。これらが周囲の物質を吸収しながらゆっくりと成長し、最終的に銀河の中心に見られるような超大質量ブラックホールになると考えられてきた。もう一つは、初期宇宙に存在した非常に密度の高いガスが、ビッグバン直後に直接崩壊して形成された「ビッグバン・ブラックホール」という仮説だが、これについては観測的な証拠がほとんどなかった。

どちらのシナリオでも、ブラックホールは通常、星やガスが豊富な環境で形成され、それらを餌にすることで大きくなると考えられている。特に超大質量ブラックホールは、活発な星形成が行われている銀河の中心部で、銀河の成長を促すエンジンのように振る舞うことが多い。そのため、初期宇宙で見つかる巨大なブラックホールも、周囲に多くの星やガスを伴っているのが普通だと予想されていた。

しかし、今回発見されたUHZ1のブラックホールは、この予想とは異なり、周囲に活発な星形成の兆候や、多くの星が見当たらない。この事実は、従来の「ブラックホールは星々の中で育つ」という考え方とは矛盾する。もしこのブラックホールが恒星の残骸から生まれたのであれば、その成長過程で周囲の物質を激しく吸い込み、強い光を放つはずだが、そのような活動は観測されていない。また、これだけの質量を持つブラックホールが、短期間でゆっくりと成長したとは考えにくい。

この矛盾を解決するために、新たな仮説として注目されているのが「直接崩壊ブラックホール（Direct Collapse Black Hole、略してDCBH）」という形成メカニズムだ。これは、初期宇宙に存在した非常に巨大で冷たい水素ガス雲が、特定の条件下で星を形成することなく、直接的に自らの重力で崩壊して巨大なブラックホールになったという考え方だ。この場合、太陽の数万倍から数十万倍もの質量を持つ「シードブラックホール」が最初から誕生する。このようなDCBHは、恒星から形成されるブラックホールよりもはるかに速く、短期間で超大質量ブラックホールに成長できるため、初期宇宙で観測される巨大ブラックホールの存在を説明しやすくなる。UHZ1のブラックホールは、まさにこのDCBHの最初の観測証拠である可能性があるのだ。

この発見は、宇宙で最も初期に形成された巨大ブラックホールがどのようにして誕生したのか、という長年の謎に迫る重要な手がかりを提供する。多くの銀河の中心には超大質量ブラックホールが存在するが、宇宙の年齢を考えると、それらが短期間で現在の大きさにまで成長した経緯は大きな疑問だった。DCBHの存在が確認されれば、この「シードブラックホール問題」に明確な答えを与えることになる。また、銀河の形成と進化におけるブラックホールの役割に関する既存のモデルを再評価する必要があることを示唆している。ブラックホールが銀河の成長をどのように支配しているのか、あるいはその逆なのか、その関係性がより深く理解されるようになるだろう。

今後、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によるさらなる観測によって、同様の「裸のブラックホール」が多数発見されれば、DCBH仮説はより強固なものとなるだろう。もしこれが真実であれば、宇宙の始まりに関する私たちの理解は根本から変わり、初期宇宙の描像が全く新しいものになる可能性を秘めている。この画期的な発見は、宇宙の謎を解き明かすための新たな扉を開いたと言える。