ウェッブ望遠鏡、ビッグバンから9億年後に並ぶ2つの巨大ブラックホールを発見

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が、宇宙の年齢が10億年に満たなかった時代に、並んで物質を取り込む2つの超大質量ブラックホールを発見した。これらはこれまでに確認された中で最古の近接クエーサー対であり、その間隔は太陽と天の川銀河の中心との距離よりも短い。

このペアが重要なのは、これほど初期の宇宙で発見されるとは誰も予想していなかったからだ。2つのブラックホールはそれぞれ太陽の数億倍から数十億倍の質量を持ち、この時代にこれほど近接した2つを見つける確率は、若い宇宙に関する現在のモデルが予測する値をはるかに上回る。

この系の正式名称はJ1602+4228ABである。ハワイ語名のNāpōwawāʻenakauluaは、ハワイ大学ハワイ語学部のラリー・キムラ（Larry Kimura）が、A Hua He Inoa命名プログラムを通じて作ったものだ。その意味は「熱の輝きの中でエネルギーを再生し、宇宙へと送り出す、測り知れない強大な闇を持つ二つの天体」である。NSF NOIRLabのシルビア・オノラート（Silvia Onorato）が率いた研究は、The Astrophysical Journal Lettersに掲載された。

私たちが見ている光は、ビッグバンから約9億年後にこのペアを出発した。より大きなブラックホールの質量は太陽のおよそ15億倍、小さい方は約4億倍である。両者はおよそ1万8100光年離れており、天の川銀河の直径の約5分の1に相当する。

クエーサーとは、大量のガスを飲み込み、その周囲の物質が母銀河のあらゆる恒星よりも明るく輝く超大質量ブラックホールのことだ。このペアを構成する両者は、高温ガスから外向きに押し出す放射と、ガスを内側へ引き込む重力が釣り合う降着率であるエディントン限界、あるいはそれをわずかに上回る速度で物質を取り込んでいる。つまり両ブラックホールは、物理学が通常許すほぼ最速のペースで成長している。

「このような巨大クエーサーが1つでさえ、宇宙のこれほど初期にどのように存在し得たのかについて、決定的な理論的説明はありません。ましてや2つとなればなおさらです」と、オノラートはNOIRLabの発表で述べた。

ウェッブとジェミニはどのように第2のクエーサーを見つけたのか

このペアは、NSF NOIRLabと国際ジェミニ天文台のエマヌエーレ・パオロ・ファリーナ（Emanuele Paolo Farina）が率いるウェッブのプログラム、Aetherサーベイで見つかった。このサーベイでは、宇宙誕生後最初の10億年に存在した200個のクエーサーへウェッブの近赤外分光器を向ける。この数は、その時期に知られている全クエーサーのおよそ43％に当たる。装置は単一のスペクトルではなく、各標的の周囲にある空の小さな領域ごとに別々のスペクトルを記録する。

すべてのデータキューブを目視で確認する過程で、チームは既知のクエーサーJ1602+4228に、ほぼまったく同じ距離にある淡い伴天体が存在することに気づいた。調べた199のサーベイ視野のうち、ブラックホール近傍を高速で動くガスの特徴である幅広い輝線を示した伴侶クエーサーはこれだけだった。ウェッブによるこの視野の観測時間は約45分だった。

伴侶は主クエーサーよりおよそ19倍暗く、空の上での両者の間隔は1秒角未満にすぎない。これは4キロメートル先から見た硬貨の幅ほどである。別個の天体であることを確認するため、チームはハワイのマウナケアにあるジェミニ北望遠鏡のジェミニ近赤外分光器を用い、スリットが両クエーサーを同時に覆うよう配置した。淡いクエーサーには3時間を超える露出時間が与えられた。「マウナケアの空は非常に澄み、像もシャープだったため、わずか2晩でデータを取得できました」とオノラートは語った。第3の装置であるジェミニ多天体分光器は、淡い伴天体の可視光データを加えた。

宇宙膨張によって光がどの程度引き伸ばされたかを示す指標である2つのクエーサーの赤方偏移は、毎秒約15キロメートル分しか異ならず、両者が地球から実質的に同じ距離にあることを示している。

これほど古いブラックホールにとって「近い」とはどの程度か

これは最初の銀河が誕生した時代である宇宙の夜明けに見つかったクエーサー対としては3例目にすぎず、その中で最も近接している。これまで最もコンパクトだった初期宇宙のペアJ2037-4537は約2万4000光年離れており、宇宙史上ではおよそ1億年後の時代に観測された。同程度の時代にある別の候補J1215-0148は約3万9000光年の広がりを持つが、それが本当にペアなのかについて天文学者の議論は続いている。

比較のために言えば、太陽から私たちの銀河中心のブラックホール、いて座A*までは約2万6000光年離れている。いて座A*の質量は太陽のおよそ400万倍だ。このペアの大きい方のブラックホールはそれより約380倍重く、宇宙の年齢が現在の約6.5％だった時点で、その質量に達していた。

チームは、このようなペアがどの程度の頻度で現れるべきかについても検討した。大規模スケールでのクエーサーの集まり方の測定を、このペアのスケールまで延長すると、199視野に1組よりもはるかに少ない近傍天体しか予測されない。チームがより暗い明るさの閾値を用いた場合でも、観測されたペアはこうした外挿値の100倍から1000倍上に位置する。

このペアがまだ決着をつけていないこと

最初の未解決問題は、これが本当に2つのクエーサーなのかという点だ。私たちと1つの遠方クエーサーの間にある銀河は、その光を曲げ、同一天体の2つの像を生み出すことがある。これは重力レンズ効果と呼ばれる。スペクトルはこの可能性に反する証拠を示している。2つのクエーサーは光の傾きと、ちりによってどの程度暗くなるかが異なり、酸素の輝線に見られる高速ガス流出の形状も異なる。レンズ効果はそれらの形を変えることはできない。そのためチームは暫定的に実在するペアとの解釈を支持している。ただし、アーカイブされたハッブル宇宙望遠鏡画像には、より淡いクエーサーの近くに前景銀河の候補が写っている。著者らは、スペクトルだけではレンズ効果を排除できず、完全なレンズモデルはなお作成中だと記している。

第2の制約は質量そのものにある。単一のスペクトルから導くブラックホールの質量には、およそ2倍という系統的不確かさが伴う。そのため15億倍と4億倍という数値は精密な測定値ではなく、推定値である。

第3の制約は、この過剰の解釈に関わる。クラスター化の予測ははるかに大きなスケールで測定されたものであり、検証範囲を大幅に下回る領域まで延長する必要がある。著者らによれば、その領域では理論の不確かさが極めて大きい。1組のペアだけでは、このような系が一般的なのか、それともこの1組がまれな偶然なのかを示すことはできない。

個別に見れば、これらのブラックホールはどの法則も破っていない。その質量と降着率は、同時代の単独クエーサーと一致する。説明されていないのは、なぜブラックホールがこれほど短期間で太陽10億個分の質量まで成長できたのか、そしてなぜそのような2つがこれほど近くで成長したのかという点だ。

なぜ合体がこのペアを説明し得るのか

チームは、Nāpōwawāʻenakauluaが初期宇宙における物質密度の極端なピーク、すなわち衝突する銀河が大量のガスをその中心へ押しやった場所を示していると提案する。そのガスは星形成と両方のブラックホールに同時に燃料を供給し、なぜ2つのクエーサーが同時に活動を始めたのかを説明できる。

2つの母銀河が合体しているなら、ブラックホールはいずれ合体後の銀河中心へ沈み込み、束縛されたペアを形成し、遠い将来には合体するはずだ。このようなペアは、NANOGravコラボレーションが報告した微弱な重力波背景を生み出すと考えられている過程の初期段階に当たる。

読者が抱くクエーサー対についての疑問

クエーサー対とは何ですか？

クエーサー対とは、宇宙空間で互いに近接して存在し、活発に物質を取り込んでいる2つの超大質量ブラックホールである。通常、それらの母銀河が相互作用しているか、合体しているために近接する。ビッグバン後最初の10億年に見つかった例は非常に少ない。

Nāpōwawāʻenakauluaはどれほど遠いのですか？

その光はビッグバンから約9億年後にこのペアを出発しており、これは約6.08の赤方偏移に相当する。光はウェッブに届くまで、ほぼ130億年にわたって旅をしてきた。

天文学者はこれほど遠いブラックホールの質量をどう測るのですか？

ブラックホールを周回するガスが発する水素輝線の幅を測定する。軌道速度が速いほど線は幅広くなり、クエーサーの明るさと組み合わせることで、その幅から質量を推定できる。この単一スペクトルによる推定には、およそ2倍の不確かさがある。

第2のクエーサーは重力レンズ効果による幻影の可能性がありますか？

可能性はあるが、低いと考えられている。2つのスペクトルには、特にガス流出の形状など、レンズ効果では生じないはずの違いが見られる。ただし、ハッブル画像では前景銀河の候補が見つかっている。詳細なレンズモデルがこの仮説を検証する。

今後の展開

ウェッブは2025年4月2日に発見データを記録し、ジェミニによる追跡観測は今年まで続き、論文は2026年11月10日に発表された。オノラートのチームは現在、2つのクエーサーの間を移動するガスの力学的研究と、アーカイブされたハッブル画像に基づくレンズモデルを準備している。イタリア国立天体物理学研究所のロベルト・デカルリ（Roberto Decarli）が率いる別の論文では、Aetherサーベイ全体で発見された伴銀河が報告される予定であり、こうしたペアが一般的なのかまれなのかを示せる統計サンプルへの第一歩となる。

参考文献：Onorato et al., “Nāpōwawā‘enakaulua: A Close Quasar Pair at Cosmic Dawn in the Aether Survey,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb11f

タグ: 天文学, James Webb Space Telescope, JWST, ブラックホール, Gemini North, Nāpōwawāʻenakaulua