[비즈한국] ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が打ち上げられて以来、天文学界の新たなミステリーとなった存在がある。それは「小さく赤い点」、Little Red Dots（LRD）だ。ジェイムズ・ウェッブが撮影したすべての写真の隅々に、ぼやけてはいるが鮮明な赤い点が写っている。あまりにも遠く、あまりにも小さく、そしてあまりにも赤い。LRDは概して、宇宙の年齢が10億年ほどしかない非常に遠い過去の宇宙で発見される。
サイズが非常に小さく、数百光年レベルにまで小さく見える場合もある。このような特徴は、LRDを単なる初期宇宙の幼い銀河とみなすことを困難にしている。そこで天文学者たちは、この厄介なLRDを説明するために、非常に劇的で多様な仮説を出し始めた。非常に厚く濃い塵に囲まれた活動銀河という比較的平凡な仮説から、初期宇宙で極めて巨大なガスの塊が一気に収縮して作られた超巨大原始ブラックホールである可能性まで。さらに、巨大な星の中にブラックホールが隠れているという「ブラックホール・スター」という概念まで提示された。しかし、そのどれもが完全には説明できていない。
LRDが星で満たされた銀河であるならば、その中には到底ありえないほどの高密度で星が集まっていなければならない。わずか数百光年の規模の中に、我々の銀河系と肩を並べる数の星を押し込まなければならないからだ。LRDの中心に活動的なブラックホールがあると考えるのも曖昧だ。急速に成長するブラックホールであれば見えるはずのX線が、実際には現れないからである。LRDは非常に鮮明に赤いが、塵もX線もはるかに少なく見える。
LRDの正体が分かりにくい最大の理由は、その中心にあるブラックホールが正確にどれほど重いのかを知ることが難しかったからだ。その中のブラックホールが本当に超大質量ブラックホールなのか、それともまだ成長しきっていない中間質量ブラックホールなのか、あるいはそもそも本当にブラックホールが存在するのかを知ってこそ、LRDの正確な状態を把握できる。
比較的近い銀河ではブラックホールの質量を測定できる。銀河のスペクトルを見ると、平べったく幅広く広がった輝線が見られるが、これはブラックホール周辺のガス物質がどれほど速く渦巻いているかを示している。これを通じてブラックホールの重力、質量を知ることができる。近い宇宙ではこの方法が広く使われている。しかし、ビッグバンからわずか10億年も経っていない初期宇宙でも、この関係をそのまま適用できるかどうかはまだ定かではない。
LRDのスペクトルは平凡な活動銀河核とは異なる。そのため一部の天文学者たちは、LRDの輝線が実際には速く動くガス物質によるものではなく、その中で起こる電子の別の散乱による一種の錯覚ではないかと推測している。実際のブラックホールはそれほど重くなく、周囲のガス物質もはるかにゆっくりと渦巻いているにもかかわらず、我々が見落としていた散乱効果によってスペクトルの輝線が過度に広がり、中心のブラックホールの質量を最大100倍まで過大評価した可能性があるということだ。
このような錯覚は、LRDの正体を全く別のものと誤解させる。もしそうであれば、我々が考えたこととは異なり、LRDははるかに軽く穏やかな場所である可能性がある。中心に巨大な原始ブラックホールを抱える神秘的な天体ではなく、ただ密度が少し高いだけの密集した星の群れである可能性も排除できない。
最近、ついにLRDが抱くブラックホールの質量を「直接」測定しようとする試みがあった。今回の研究は、単にスペクトルの輝線のみに頼ってブラックホールの質量を推定したのではない。代わりに、ガス物質が実際に中心でどのように動いているかを測定した。この驚くべき試みの現場となったのは、Abell 2744-QSO1。別名パンドラ銀河団と呼ばれるAbell 2744の背後に遠く離れて存在する天体だ。Abell 2744は無数の銀河と暗黒物質を湛えた巨大な銀河団である。おかげで背景宇宙の光を歪ませ、天然の巨大なレンズの役割を果たしている。重力レンズだ。
背景にあるQSO1は、極端かつ絶妙な重力レンズのおかげで、3箇所に虚像が現れる。ここは宇宙がわずか7億歳だった時の姿を見せてくれる。重力レンズはあまりに遠くて本来なら見るのが難しい暗い天体の光を、より明るく増幅してくれる。天体の光をより広い範囲に広げ、歪ませることで、小さな点ではなく面積とサイズがある形にまで引き延ばしてしまう。そのため、非常に遠いQSO1のより鮮明なスペクトルを観測することができた。
ジェイムズ・ウェッブのNIRSpec装置を通じて赤外線領域のスペクトルを観測した。重要なのは、ここで単にQSO1の光全体をひっくるめてスペクトルを得たのではないという点だ。天体内部の位置によってスペクトルがどのように変わるかをより精密に観測できた。これにより、QSO1のどの位置にあるガス物質が我々に近づく方向に動いているのか、また遠ざかる方向に動いているのか、さらにその速度が空間的にどのように分布しているかを細かく描写できるようになった。
特に今回の研究で注目したのは、相対的に輝線が狭いHα線だ。QSO1のHα輝線は、およそ600光年の範囲に広がっている。その中でQSO1の中心から外郭に向かって、水素を湛えたガスの速度がどのように変化していくかを確認した。この遠い銀河に対して、その銀河の中心から外郭に向かって回転速度がどのように変わるかを示す、一種の回転曲線を描いたのである！
ガスが広く広がった星の群れや銀河であれば、回転曲線は銀河中心から外に向かうにつれて比較的緩やかに描かれる。中心の質量が広い半径にわたって広がっているためだ。我々の銀河系もこれに該当する。逆に、中心にほぼすべての質量が一点のように集まっていれば、中心から離れるほど速度が大きく低下する。事実上、すべての質量が太陽に集まっている太陽系で、内側の惑星から外側の惑星に向かって公転速度が大きく低下するのと同じだ。このような回転をケプラー回転と呼ぶ。
今回の観測結果によると、QSO1の運動は広く広がった星の群れというよりは、中心の一点に質量が集中している分布にうまく合致した。つまり、中心に非常に重いブラックホールがあるケースの方が自然なのだ。精巧な3次元運動分析を加えた結果、中心のブラックホールがおよそ太陽質量の5000万倍レベルであるという結論が出た！これは本当に巨大だ！我々の銀河系の中心にあるいて座A*（射手座A*）が太陽質量の約400万倍である。ところが、QSO1が抱えるブラックホールはこの10倍以上も重い！
宇宙がわずか7億歳でしかなかった遠い昔に存在した原始銀河が、100億歳を軽く超えた成熟した我々の銀河系よりもはるかに大きなブラックホールを抱えているということだ！ブラックホール質量の「下剋上」である。このような幼い銀河が、我々よりも10倍も重いブラックホールを抱えていたとは当惑する。宇宙が年を重ねるにつれて銀河が抱くブラックホールの質量も少しずつ重くなっていっただろうという、これまでの期待と真っ向から矛盾する。
QSO1でブラックホール周辺の純粋な星だけの質量も個別に測定した。その結果、どれほど保守的に見積もっても星の質量は太陽質量の2000万倍を超えることはない。つまり、QSO1が本当に中心に巨大なブラックホールを抱え、その周囲に星が回っている天体であるなら、中心のブラックホールが周囲の星の全質量を合計したものよりも2倍も重いということだ。
これは我々の周囲に近い宇宙では決して見られないタイプの銀河だ。銀河中心のブラックホールがいかに重かろうと、銀河全体の質量に比べれば割合は非常に小さい。通常は1000分の1レベルだ。ところがQSO1は、星の全質量を合計したものよりも重いブラックホールが中心に隠れているように見える。これは我々の常識を完全に逸脱している。
この当惑するQSO1をどう見るべきか。天文学者たちは、いわゆる「裸の」巨大ブラックホールとして説明する。通常、我々は数千億、数兆個の星が集まった銀河の中心に埋もれた姿でブラックホールを見る。そのため、星と塵が先に集まり、その後、銀河中心に物質がさらに集まって練り固められながらブラックホールが作られたと考えがちだ。
しかし、QSO1の存在は正反対の可能性を強く示唆している。ブラックホールが先に存在し、まだ周囲に十分な星が成長していない状態のように見えるのだ。生まれたばかりのブラックホールだけを持つ幼子銀河が、星で作った素敵な服を着る前の状態ということである。そのため、数千億、数兆個の星々で華やかに装飾された服を着ることができず、まだ裸の状態が露呈しているのではないだろうか。
QSO1が数多くのLRDを代弁し得る最も一般的な姿なのか、それとも偶然発見された特異な事例なのかはまだ分かりにくい。今後、より多くのLRDに対しても幸運にも絶妙な重力レンズの助けが得られれば、似たような分析を試みることができるだろう。少なくともQSO1を見る限り、LRDを「中心にブラックホールを抱えない高密度星団」と説明するのは難しそうだ。QSO1が見せるガスの動きは、中心のほぼ一点に莫大な質量が集まっていなければ説明がつかない。
しかし、QSO1がすべての秘密を解いたわけではない。依然として奇妙な点が残っている。これほど巨大なブラックホールが、あまりにも静かに見えるのだ。ブラックホールが理論的にどれほど激しく周囲の物質を飲み込めるかと比較して、現在実際にどれほど活発に物質を飲み込んでいるかを比較する指標をエディントン比という。現在、QSO1のエディントン比はわずか0.01レベルにすぎない。自分の体格に似合わず、100分の1程度に控えめな食事をしているのだ。非常に体重の重いウルトラヘビー級の選手が、毎日トウモロコシの粒を一つずつちびちび食べているようなものだ。これは事実上、休眠状態と変わらない。
そうなると、こうしてちびちびと物質を食べていながら、いつそんなに成長したのかという疑問がついてくる。生まれたときからずっと今のように物質を食べていたのであれば、わずか7億年で太陽質量の5000万倍レベルまで成長することは不可能だ。したがって、現在はほぼ断食状態だが、非常に若かったとき、生まれた直後に激しい嵐のような爆食の時代を過ごしたはずである。そうでなければ、最初から非常に巨大な「種」として丸ごと作られていたはずだ。いわゆるヘビーシード（heavy seed）問題が発生する。
現在、天文学界では初期宇宙の巨大ブラックホールを説明するために2つの仮説がぶつかっている。1つは「直接崩壊ブラックホール」だ。初期宇宙の巨大な原始雲が丸ごと、星を一つも作らずにそのまま崩壊し、巨大なブラックホールを一気に作ったと説明する。この場合、最初から太陽質量の1万から100万倍まで重い「種ブラックホール」を作ることができる。そもそも非常に重い超優良児としてブラックホールが生まれるため、その後の成長過程で毎日激しく爆食する必要はない。
しかし、直接崩壊ブラックホール仮説にも限界がある。このモデルでは通常、ブラックホール周辺に強い紫外線が必要だ。そうしてこそ、ガス雲が収縮・崩壊する過程で星になろうとする周囲の小さな塊を散らし続け、星の形成を妨害し、中心にブラックホールだけを残すことができるからだ。しかし、QSO1の周辺ではそのような強い紫外線光源の痕跡は見当たらない。過去にそのような役割を果たしたであろう激しい星の爆発や紫外線爆発の痕跡はないのだ。
これよりも仮定的（推論的）な仮説がまさに「原始ブラックホール」だ。ビッグバン直後の何もない初期宇宙の密度揺らぎからブラックホールが直接形成されたというものだ。しかし、この仮説も完全ではない。QSO1の周辺は、ほとんど水素とヘリウムしかない、本当に原始的な宇宙の化学組成を見せている。重い元素がほとんどない。周辺で星が生まれ、超新星が爆発して汚染されたことがないことを示している。これは確実に「ブラックホールが先に生まれ、星（銀河）は後から作られた」という前後関係を強く支持する。
だが、QSO1が抱えるブラックホールの質量は重すぎて重すぎる。一般的な原始ブラックホール仮説が再現できるレベルを超えている。結局、原始ブラックホール仮説に従ったとしても、太陽質量の5000万倍という重い体を説明するためには、ブラックホールが形成された後の急速で激しい爆発的な成長が必要なのだ。
QSO1の発見は、これまで未知のままだったLRDの正体に重要な手がかりを提供する。しかし同時に、また別のミステリーを残す。ジェイムズ・ウェッブで少しずつビッグバン直後の宇宙の過去へと近づいていく旅は、宇宙という巨大な森の中で、ついに初めてシャベルで地面を掘り返し始めたようなものだ。これまで我々は、宇宙という森を上から見下ろして表面に現れる木の葉の美しさを眺め、せいぜい地面の上に現れた姿を眺めるだけだった。
ついにジェイムズ・ウェッブを通じて、我々はその森の土壌から突き出た小さな新芽を眺めた。そしてその土を払い除け、その下に眠っていた小さくて赤い種、LRDに出会い始めたのだ。地面の上に育った花と木しか知らなかった我々にとって、土の中の種は全く新しく見慣れないものだ。その小さな種が一体どこから飛び出したものなのか、その小さな種が一体どうやってこれほど巨大な花と木を成し遂げることができるのか、理解するのは難しい。依然として我々にとっては見慣れず、当惑する存在に過ぎないが、今やその小さな種を我々の心の中に植え替え、新しい宇宙論の新芽を育て始めている。
参考
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4
https://academic.oup.com/mnras/article/548/1/staf2109/8607050
https://esawebb.org/news/weic2609/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae4bd0
筆者 チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃に『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを広めるという夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として講演や執筆など、多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『天文学者の無用さについて』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『私はどうして冥王星を殺したか』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などを翻訳した。