[비즈한국] 10年前、科学者たちはパブロ・ピカソの初期作品「青い部屋」に隠された別の作品を発見した。赤外線カメラで分析した結果、キャンバスを覆う絵具の下から男性の肖像画が浮かび上がった。この未知の肖像画の主人公は誰なのか、なぜピカソはそのような絵を描いた上に新しい絵を描いたのか、また別の新たな疑問が残った。
このように赤外線は、私たちが知っていた世界の向こう側に隠れている未知の領域を明らかにする。宇宙においても同様だ。赤外線で宇宙を観測するジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、かつてのハッブル宇宙望遠鏡の時代には想像もできなかった新しい宇宙の秘密を解き明かしている。
特に最近、天文学者たちを困惑させている発見がある。宇宙の果てで次々と見つかる「小さな赤い斑点（Little Red Dots, LRD）」である。ジェイムズ・ウェッブが捉えた様々な観測写真を見ると、明るく輝く近隣の星や銀河の合間、真っ暗な宇宙の背景の中に、必ずと言っていいほどこの赤い斑点が鮮明に写り込んでいる。その数も非常に多い。さらに不可解なのは、これらの小さな赤い斑点が我々の周囲の近隣宇宙では発見されないという点だ。ジェイムズ・ウェッブを使ってようやく見えるような、遥か遠方の宇宙でのみ確認される。これらの斑点の正体が一体何なのか、天文学者たちはまだ分かっていない。赤外線は宇宙に隠された新しい未知の領域を暴き出し、我々にまた別の問いを投げかけている。
天文学者たちは、こうした赤い斑点が宇宙の果てに隠れているとは予想もしていなかった。斑点を探す目的で観測していたわけでもなかった。ビッグバン直後の初期宇宙において、新しい星や銀河が誕生し、宇宙全体を明るく照らして電離させたとされる「再電離期」を証明するために観測を行ったところ、写真の中にあまりにも多くの赤い斑点が発見されたのである。
これらの天体が赤外線波長で赤く見える理由は、大きく二つの可能性が考えられる。一つ目は、距離が非常に遠いため、宇宙膨張による極端な赤方偏移を受けている可能性だ。その場合、これらは事実上、ビッグバンからわずか6億〜7億年しか経っていない、誕生直後の原始銀河ということになる。
しかし、銀河の光を赤く染めるのは宇宙膨張だけではない。もし銀河が非常に多くの塵をまとっていれば、より赤く見える可能性がある。塵が銀河から漏れ出る光の大部分を吸収し、より長い赤外線波長で再放射することで、光を赤く変色させることができるからだ。塵は特に、銀河の正確なスペックを把握しようとする天文学者たちを悩ませる厄介な存在である。銀河がどれだけの塵を含んでいるかによって、銀河の明るさや、光から推定される銀河の全質量が大きく変わってしまうためだ。
天文学者たちは現在、ジェイムズ・ウェッブを通じて再電離期の宇宙を観測する二つの大規模なプロジェクトを進めている。EIGER（再電離期の輝線銀河と銀河間ガス）とFRESCO（再電離期の分光全観測）である。これまで非常に狭い範囲の空を観測してきた。どれほど狭いかというと、腕を伸ばして親指の爪で隠れる面積の20分の1ほどだ。このプロジェクトを行った天文学者の言葉を借りれば、彼らはこれまで「宇宙の果てを爪で少し引っ掻いただけ」なのだ。
この赤い斑点が驚異的なもう一つの理由は、その大きさが非常に小さいと推測される点だ。ジェイムズ・ウェッブの写真に写る赤い斑点のサイズから逆算すると、その大きさは500光年にも満たない。小さいものでは100光年レベルのものまである。これは銀河と呼ぶにはあまりに小さすぎる。我々の天の川銀河だけでも、その直径は10万光年に達する。それなのに、これらの赤い斑点は一般的な銀河に比べて100〜1000倍以上も小さいことになる。果たして数千万〜数億個もの星が集まって形成された「銀河」と呼べるのだろうか。
最近、一部の天文学者は、この小さく赤い斑点の中心に、まさに成長を開始したばかりの「赤ん坊の超大質量ブラックホール」があるのではないかと推測している。その根拠の一つは、赤い斑点のスペクトルから、非常に速い動きをする水素原子の輝線が確認されることだ。銀河の中心にブラックホールがあることは、その周囲で強い重力に捕らわれ、超高速で移動するガス雲を通じて間接的に証明できる。
水素原子を含むガス雲は、特定の波長で光を放出する。その痕跡は、銀河全体のスペクトルの中に細く鋭い輝線として残る。しかし、もしガス雲が中心のブラックホールの重力に捕らわれ、超高速で移動していれば、ドップラー効果により輝線の波長が短波長側や長波長側にずれることになる。移動速度が速いほど波長のズレも大きくなり、輝線はより幅広く平らな形状になる。これは中心に巨大で暴れ回るブラックホールを抱えるほとんどの活動銀河に見られる代表的な特徴である。
銀河中心で動くガス雲の速度を測定できれば、その中心で成長する超大質量ブラックホールの質量規模も把握できる。ジェイムズ・ウェッブで確認された赤い斑点が本当にブラックホールを抱える銀河であるならば、その中のブラックホールの質量は太陽の数百万倍から数億倍という多様かつ重い値であるはずだ！
しかし、これは非常に不可解である。これらの赤い斑点は、宇宙が誕生してわずか6億〜7億年しか経っていない時期の、非常に幼い原始銀河だからだ。現在の宇宙の歴史から見れば、わずか5%しか経過していない極めて初期の段階である。このような初期宇宙であれば、当然銀河もその中心のブラックホールも成長を始めたばかりの子供時代であり、軽いはずである。ところがジェイムズ・ウェッブは、宇宙の初期にすでに太陽の数億倍の質量まで巨大に成長したブラックホールが存在したという証拠を示している。幼稚園に、身長2メートルの大柄な子供たちが溢れかえっているような状況なのだ。
さらに不思議なのは、中心のブラックホールの質量を銀河全体の質量と比較したときだ。通常、天の川銀河のような一般的な規模の銀河では、全体の恒星質量に対して中心のブラックホール質量が占める割合は非常に小さい。銀河全質量のわずか1000分の1に過ぎない。ほぼすべての銀河がこの比例関係を一定に保っている。銀河の全質量が2倍になれば、その中心に住むブラックホールの質量も2倍になる。
初期宇宙においてジェイムズ・ウェッブで発見された赤い斑点も、当然この比例関係にあると考えられていた。しかし、全くそうではない。これらの赤い斑点銀河の中心ブラックホールは、その体躯に対してあまりにも重すぎる。仮にこれらが銀河であるとすれば、推定全質量の30〜40%を占めているのだ！
これは理解しがたいほどの莫大な質量比である。銀河を「ブラックホールという餡子（あんこ）が入った饅頭」だとすれば、我々の周囲にある一般的な銀河は、饅頭の中の餡子の割合が極めて少ない。事実上、ただのパンの塊に近い。ところがジェイムズ・ウェッブで確認された赤い斑点饅頭は、その半分近くが餡子で詰まっているのだ。宇宙では到底期待できないほどの「餡子たっぷり」の味わいである。これまで餡子たっぷりの甘美な味を知らなかった天文学者たちを困惑させている。
これが事実なら、初期宇宙では現在とは比較にならないほど急速にブラックホールが成長したと推測できる。しかし、この仮説にも問題がある。急速に成長する銀河中心のブラックホールは、銀河の遥か外まで強力なX線やガンマ線などの高エネルギー光を放出するからだ。天文学者たちは、ジェイムズ・ウェッブで急成長が疑われる赤い斑点銀河を発見し、そこから本当に強力な高エネルギーX線が放出されているかを検証するため、先行するチャンドラX線宇宙望遠鏡の観測結果と照合した。しかし、いかなるX線も確認されなかった。あまりにも急速に成長するブラックホールが存在するには、静かすぎるのだ。
ならば、別の可能性を考えることができる。赤い斑点が中心に巨大なブラックホールを抱えておらず、ただ星々が高密度に集まった原始銀河の一形態であるという可能性だ。だが、ここにも問題がある。銀河中心で急成長するブラックホールは、普通の星一つとは比較にならないほどの莫大なエネルギーを吐き出す。そのため、ジェイムズ・ウェッブで確認された赤い斑点全体のエネルギーを十分に説明できる。しかし、中心にブラックホールがないと仮定すると話が複雑になる。
ブラックホールよりもはるかにエネルギーが低い星々だけで赤い斑点の全エネルギーを賄うには、あまりにも多くの星が必要になる。前述したように、この赤い斑点は大きさが非常に小さく見積もられている。わずか100〜500光年というスケールだ。天の川銀河の1000分の1しかない狭い空間に、天の川銀河に匹敵するほどの数の星がひしめき合っていなければならないという結論になる。これほどの高密度で星が集まれば、そのまま互いに混ざり合って巨大なブラックホールが形成されると考える方が合理的かもしれない。
天文学者たちは、ひょっとするとこの赤い斑点が初期宇宙で新たに成長しつつある「クエーサーの赤ん坊バージョン」である可能性も考慮している。そうであれば、これらの斑点は、いまだ銀河天文学の分野で明確に解決されていない「銀河中心の超大質量ブラックホールの成長と誕生」に関する重要なヒントを与えてくれる可能性がある。銀河中心で巨大なブラックホールが形成される過程をリアルタイムで見られる現場かもしれないからだ。そして、銀河の全質量と中心ブラックホールの質量が、いかにして同じ比例関係を維持しながら共に成長できるのか、その共生関係の秘密も解き明かせるだろう。興味深いことに、ジェイムズ・ウェッブで発見される赤い斑点は、天文学者たちとビッグバン宇宙論にとって、赤信号ではなく青信号になりつつある。
参照
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240500504M/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4265
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad55f7
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、宇宙の美しさを伝える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および近宇宙論研究室にて、銀河同士の相互作用による進化を研究しており、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。