[비즈한국] 2015年、物理学者たちはLIGO検出器を通じて、数億光年離れた場所で合体した2つのブラックホールの衝突によって生じた時空の揺らぎを感知した。当時、時空に重力波という揺らぎを残したのは、それぞれ太陽の20〜30倍の質量を持つ恒星質量ブラックホール同士の衝突だった。
それ以降、LIGOをはじめとする多くの重力波検出器が、様々な恒星質量ブラックホールの衝突を捉えてきた。しかし、それらはすべて太陽質量の数十倍程度の小さく軽い恒星質量ブラックホールの衝突に過ぎない。銀河の中心に存在するのは、それよりもはるかに巨大で、比較にならないほどの超巨大ブラックホールだ。太陽質量の数百万倍から数十億倍に達する莫大な質量を持っている。このような超巨大ブラックホールがどのように形成されたのか、銀河の衝突過程で距離を縮め、最終的に衝突に至るのかといった様々な謎は、まだ解明されていない。
ところがジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が、史上最も遠い宇宙で起きた超巨大ブラックホールの一組の衝突現場を捉えることに成功した！この現象はビッグバンからわずか7億4000万年しか経っていない、非常に若い宇宙で起きたものだ。今からなんと130億年前のことである！この発見は、初期宇宙から銀河中心の超巨大ブラックホールがどのように成長してきたのかについて、重要な手がかりを提供する可能性がある。
銀河中心の超巨大ブラックホールの周囲には、強い重力によって多くの物質が捉えられている。それらは非常に速い速度で渦巻き、加熱される。これをブラックホール周辺の降着円盤と呼ぶ。降着円盤は非常に高温に熱せられるため、周囲の水素を極限まで励起させ、特定の波長で鮮明な光を放射させる。ここで重要なのは、ブラックホール周囲の降着円盤が静止しているのではなく、超高速で回転しているという点だ。
この高速回転により、地球から観測される降着円盤からの水素スペクトルの放射線は、ドップラー効果を受け、波長がわずかに短くなったり長くなったりする。地球から見て遠ざかる側の円盤部は波長が長くなる赤方偏移として、地球に近づく側の円盤部は波長が短くなる青方偏移として観測される。
もし降着円盤が静止していれば、特定の波長のみに強い信号が出る鋭いスペクトルが観測されるはずだ。しかし、降着円盤が高速回転しているため、その前後で波長が少し幅広く広がった形のスペクトルが形成される。このような現象をスペクトルの線幅増大と呼ぶ。降着円盤の回転速度が速くなるほど、線幅増大の度合いは大きくなる。
莫大なエネルギーを放出し、多くの物質を飲み込む巨大ブラックホールを中心部に抱く活動銀河は、特に非常に特徴的なスペクトルを示す。銀河中心のブラックホールのすぐ近くを取り囲む領域は、非常に速い速度で回転している。そのため、非常に幅広く広がった線幅のスペクトルが観測される。一方で、銀河中心のブラックホールから遠く離れた領域に行くと水素雲の回転速度は低下し、スペクトルの線幅の増大幅も少し狭くなる。特に活発に成長している活動銀河は、幅の広いスペクトルと狭いスペクトルを両方合わせ持つという特徴がある。
今回のジェイムズ・ウェッブの観測で、天文学者たちは約130億年前の初期宇宙に存在したと推定される、非常にぼやけた原始銀河「Zs7」を捉えた。この銀河中心部をジェイムズ・ウェッブの分光観測装置「NIRSpec」で観測した。特に今回の観測では、銀河全体のスペクトルを単純にまとめて観測する古典的な手法ではなく、銀河の画像の各ピクセルごとのスペクトルをより鮮明に区別して観測する手法を用いた。このような技術をIFU（積分フィールドユニット）と呼ぶ。
これを活用すれば、銀河全体でどれだけの星が誕生しているか、どれだけ強力なブラックホールが活動しているかを推論することを超えて、銀河内部のそれぞれの領域で星がどれほど誕生しているか、またどれほど強力なブラックホールが各領域で活動しているかを、より高い解像度で区分して把握できる。
天文学者たちはZs7銀河の中心部で、幅の広い線幅と狭い線幅の両方を示す明確なスペクトルの形態を確認した。ところが驚くべきことに、このスペクトルの形態は一箇所だけで観測されたわけではなかった。銀河中心部から少し距離を置いた二つの地点でも観測されたのだ！画像内の銀河中心よりわずかに右上にある地点では、明確に広い線幅と狭い線幅の二つの形態を持つ水素スペクトルのデータが確認できる。一方、画像内の銀河のちょうど中心部では、狭い線幅の形態を持つ水素スペクトルのみが確認される。
これを根拠に天文学者たちは、この銀河の中心部に少なくとも2つ以上の超巨大ブラックホールが共存していると推論した。一つは銀河中心部に、もう一つは中心部からわずかに外れた位置にある。特に幅の広いスペクトルと狭いスペクトルを示す観測データを用いて銀河中心ブラックホールの質量を推論したところ、天文学者たちは、中心部から外れた超巨大ブラックホールの質量を太陽質量の約5000万倍と推定した。これは太陽質量の約400万倍である我々の天の川銀河の中心ブラックホールよりも、ほぼ10倍以上重い値だ！宇宙の年齢がわずか7億年しかない極初期の宇宙に、すでに我々の銀河の中心ブラックホールよりはるかに重い超巨大ブラックホールが存在していたことを示している。
このように巨大な2つの超巨大ブラックホールが近距離に集まっているのは、初期宇宙で2つの銀河が衝突し、それによって各銀河が抱いていた超巨大ブラックホールが合体しつつあるためと推定される。もちろん、超巨大ブラックホール同士の衝突と合体過程には、まだ解決されていない秘密が多い。はるかに軽い恒星質量ブラックホール同士の衝突に比べ、超巨大ブラックホール同士の衝突過程の結末はまだ確実ではない。超巨大ブラックホール2つが光年以内の距離まで接近すると、それ以上軌道が縮まらず、そのまま安定した軌道を維持して結局合体に至らない可能性があるという、超巨大ブラックホールの「最後のパーセク問題（final parsec problem）」が残っているからだ。そのため、銀河中心に住むこのような重厚なブラックホールが互いに合体して巨大化しているのかは、まだ定かではない。
2015年の初観測以来、人類は地球各地に設置した重力波検出器で、数億光年先で衝突する比較的小さな恒星質量ブラックホール同士の衝突を感知している。その衝突が残した時空の揺らぎが数億年をかけて飛び、地球周辺を通り過ぎる瞬間、時空が微細に揺れることを通じて重力波の存在を検証している。海の上に釣り竿を浮かべて揺れるのを待つ釣り人の心境に近いだろう。現在は古典的な電磁波や光だけでなく、重力波という新しい波長の種類を通じて宇宙を観測する新しい時代を満喫している。
しかし、まだ限界がある。地球上に設置できる重力波の網や釣り竿の大きさは、結局のところ地球より大きくはなれない。より遠い宇宙から広がってくる微小な時空の揺らぎを感知するには、地球サイズよりも巨大なスケールの重力波の網が必要だ。そこで天文学者たちは、2035年に地球を離れ、太陽周辺の軌道を編隊飛行する探査機で重力波を検出する「LISAミッション」を準備している。すでにLISAの技術的な可能性を検証するために行われた事前作業「LISAパスファインダー」が部分的に成功した結果を見せており、計画は順調に進んでいる。
このミッションが実施されれば、比較的に近い宇宙で起きる恒星質量ブラックホールの衝突だけでなく、非常に遠い過去の初期宇宙に存在していた超巨大ブラックホール同士の衝突が残した、数十億年前の重力波の痕跡まで感知できる時代に突入できる。より感度の高い重力波検出器で感じる宇宙は、果たしてどれほど揺れ動いているのだろうか？すでに宇宙のあちこちでは、大小様々なブラックホールの衝突によって時空全体が複雑に揺れ動いている。ただ、その揺らぎが非常に小さいため、我々には宇宙の時空が穏やかに感じられただけだ。しかし、これからはより敏感な揺れを感知できる釣り竿を浮かべて宇宙を感じるようになれば、宇宙はもはや静かで穏やかな世界ではなくなるだろう。
これを通じて、初期宇宙から今日に至るまで、銀河中心に住む重厚な超巨大ブラックホールがどのようにして現在の巨大な体格を持つようになったのか、果たしてそれらの衝突と合体の結末はどうなるのか、まだ解明されていない多くの問いに対する手がかりを新たに入手できるはずだ。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/355/7671512
筆者のチ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃、『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在は延世大学銀河進化研究センター及び近宇宙論研究室にて、銀河の相互作用による進化を研究しており、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。『サム・タヌン（駆け引きする）天文学台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。