ユークリッド望遠鏡、1年で10年分の古代クェーサーを発見

過去10年間、宇宙年齢が10億年に満たない時代にすでに太陽質量の10億倍に達するブラックホールに駆動されたクエーサーを1つ確認するには、複数の望遠鏡を連携させ、数カ月にわたる追跡分光観測が必要だった。その努力の累積成果は、確認された天体はおよそ10個にとどまっていた。ユークリッド（Euclid）は、科学観測初年度に12個を確認した。

この数字は、ライデン大学の大学院生ダミン・ヤン（Daming Yang）氏とその共同研究者らが『アストロノミー・アンド・アストロフィジックス』に発表した論文の中心的な成果であり、ユークリッドの初期観測データ（第1四半期スカイデータ）を活用した41論文からなる特集号の一部をなす。完全なカタログには、宇宙の最初期の時代に由来する31個の未知のクエーサーが含まれている。これらは、それぞれがおよそ1兆個の太陽に相当する放射出力を放ち、宇宙が現在の年齢のごく一部だった時代にすでに存在していた超巨大ブラックホールによって駆動される、太古の光源である。

カタログ中で最も遠方にある2つの天体は、EUCL J172902.75+641018.1およびEUCL J125308.55+705432.3と命名され、それぞれ赤方偏移7.77および7.69を示し、個別に分解された天体としてはあらゆるサーベイの中でも最も遠方のものに位置づけられる。これらの光が放たれたのは、宇宙が誕生してから約6億7000万年後のことである。

ユークリッドが普通の恒星に見える天体を識別する方法

古代のクエーサーを検出することは、針を干し草の山から探すような問題である。極度の遠方では、クエーサーの紫外線放射は宇宙の膨張によって近赤外線領域まで引き伸ばされ、その特徴的なスペクトル線は、地上のほとんどの観測装置が効率的に捉えるのが難しい波長に移動する。さらに現実的な問題として、その結果生じる暗く赤い外観は、標準的な可視光画像では、はるかに近くに存在し圧倒的に数が多いM型矮星とほとんど区別がつかなくなる。ユークリッド以前の検出のほとんどは、異なる深度とフィルターカバレッジを持つ複数のサーベイにわたって天体を照合し、大型望遠鏡の高額な観測時間のための候補を優先順位付けすることに依存していた。

ユークリッドは両方の問題を同時に解決する。その近赤外線分光撮像装置（NISP）は0.95～2.0マイクロメートルの波長をカバーし、これはまさにz≧7のクエーサーからの赤方偏移したライマンα輝線が現れる範囲であり、同時に広帯域測光データを取得することで初期候補の選別を可能にする。このサーベイの面積は、最終的には空の3分の1を地上からは到達不可能な深度でカバーするように設計されており、最も希少な天体の有用なサンプルを含むのに十分な統計的体積を生み出す。「それらの原始の光は暗く、また私たちのより近くにある恒星からの光と混同しやすいのです」と、ユークリッドチームのESA研究員アントニオ・ラ・マルカ（Antonio La Marca）氏は述べている。

ヤン氏のチームは、Q1データに測光的選別アルゴリズムを適用し、z≧7のクエーサーと一致する候補を特定し、別途地上観測キャンペーンを必要とせずにNISPの分光モードを用いて検出を確認した。従来のサーベイ手法に対する効率の向上は、10年間の累積成果と、1年間で12個の確認天体という差となって現れている。

赤方偏移7の閾値が実際に意味すること

赤方偏移は、ある光子が放出されてから宇宙がどれだけ膨張したかを定量化する。赤方偏移z=7は、宇宙が現在の直線的な大きさの約8分の1だった時代に相当し、約130億年前のルックバックタイム、つまりビッグバンから約6億7000万年後の宇宙年齢に換算される。その時代、宇宙は再電離の最終段階にあり、最初の光源からの紫外線出力が、初期宇宙を不透明に保っていた水素ガスを電離させる過程であった。

z≧7のクエーサーは再電離の主要な推進力の一つであったが、同時にパラドックスでもある。標準的な構造形成モデルでは、最初の星々が形成される時間すらほとんどなかった宇宙史の時点で、太陽質量の数十億倍に達する超巨大ブラックホールが急速に成長する必要があるからだ。天の川銀河の中心ブラックホール、いて座A*の質量は約400万太陽質量であり、宇宙の全歴史138億年をかけてその質量を蓄積してきた。ユークリッドカタログ中のz≧7のクエーサーを駆動するブラックホールは、その数百倍から数千倍もの質量を持つにもかかわらず、同じ時間枠の5%未満でその質量を蓄積したことになる。

「これらのモンスター——太陽の質量の数十億倍もの質量を持つもの——は、宇宙がまだ揺籃期にあったときに、どういうわけかすでに存在していたのです」と、ヤン氏の指導教官であり論文の共著者でもあるカリフォルニア大学サンタバーバラ校のジョセフ・ヘナウィ（Joseph Hennawi）氏は述べている。1年分のデータで十数個以上も発見されたということは、それらが統計的な異常値ではないことを示している。サンプルは現在、一つの母集団として扱えるほど十分に大きくなったのである。

カタログが解決しないこと

確認された検出数が増えたことで定量的な根拠は強化されたが、提案されている形成メカニズムの間をまだ判別できていない。有力な候補としては、持続的超エディントン降着（ガスが種ブラックホールに、標準的な放射圧限界を超える速度で長期間にわたって落下し、観測される質量を構築する）、巨大な原始ガス雲の直接崩壊による恒星残骸よりもはるかに重い種ブラックホールの形成、そして最初の世代の超巨大ブラックホールが活動を開始する前の高密度な初期星団の急速な合体、などが挙げられる。それぞれのメカニズムは独立した観測的制約に直面しており、ユークリッドのデータには、それらを直接検証するために必要な母銀河の特性評価はまだ含まれていない。

ヤン氏の論文は、31天体のカタログは、より大きな背景母集団の中でも明るい部分集合、すなわちQ1データから明確に浮かび上がるのに十分な明るさと適切な赤方偏移・天球位置の組み合わせを持つ天体を代表していると指摘している。完全性モデルには、現在も観測を続けているユークリッド広域サーベイ全体が必要となる。31天体すべてに当てはまる実用的な注意点として、形成モデルの検証に不可欠な母銀河の特性評価には、サーベイ自体が提供するものよりも深い観測が必要であることが挙げられる。ハイデルベルクのマックス・プランク天文学研究所のシルビア・ベラディッタ（Silvia Belladitta）氏は、カタログ中で2番目に遠い天体の追跡分光観測を実施した。計画されている地上観測キャンペーンは、全サンプルを対象とする予定である。

ユークリッドの古代クエーサーに関するよくある質問

クエーサーとは正確には何であり、その明るさが重要なのはなぜか？

クエーサーとは、周囲のガスを活発に降着させる超巨大ブラックホールによって駆動される、銀河の極めて明るい核である。降着円盤内で物質が加熱されるにつれ、電磁スペクトル全体にわたって放射し、その明るさは母銀河中のすべての恒星を合わせたものを凌駕する。ここで報告されているような遠方では、検出可能なのは中心エンジンのみであり、母銀河は暗すぎてコンパクトすぎるため分解できない。極端な明るさこそが、ユークリッドが130億光年彼方の天体を検出することを可能にしている理由である。

なぜこれらの天体は宇宙論にとって問題とされるのか？

ブラックホール成長の標準モデルは、エディントン限界として知られる降着率の自然な上限を設定する。恒星が残しうる最大のブラックホールである恒星質量の種が、この限界で継続的に降着したとしても、ビッグバンからこれらのクエーサーが存在した時代までの間に太陽質量の10億倍に達することはできない。1回のサーベイで十数個以上も発見されたということは、それらが単一の特異なイベントで説明できるほど稀ではないことを意味し、形成メカニズムは規模を持って機能しなければならないことを示している。

ユークリッドは、この種の天体を対象とした従来のサーベイと比較してどうか？

ユークリッド広域サーベイは、最終的に約14,000平方度を、地上のサーベイでは同等の広さで達成できない近赤外線感度でカバーする予定である。従来のサーベイの世代、例えばスローン・デジタル・スカイサーベイやUKIRT赤外線深宇宙サーベイは、10年以上にわたる観測の積み重ねで、それ以前のz≧7クエーサーカタログの大部分を同定した。ユークリッドのNISP装置は、初期選別と分光スクリーニングを同時に行い、以前は別々のキャンペーンを必要としていたプロセスを単一の観測パスに圧縮する。

この研究プログラムの次の展開は？

全31天体のサンプルを対象に、赤方偏移測定の精密化と母銀河の特性評価のための地上追跡分光観測が計画されている。ユークリッドの今後のデータ公開により、広域サーベイが空の面積を蓄積するにつれてカタログは拡大する。ユークリッドのQ2データ公開（天の川銀河の銀河バルジを26時間の観測で捉え、6000万個の恒星を含む）は6月下旬に行われた。今後のデータ公開では、高赤方偏移クエーサー探索に関連するより多くの銀河系外領域が追加される予定である。「それらを発見し研究することで、これらの巨大なシステムがどのようにしてこれほど急速に形成され成長したのか、より深く理解できるのです」とヤン氏は記している。

Reference: Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

タグ: 天文学, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars