ウェッブ宇宙望遠鏡による原始ブラックホールの探求

ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡のアーティストの構想。 クレジット:NASA GSFC / CIL / Adriana Manrique Gutierrez

Webb Space Telescopeチームは、夏に科学運用を開始する前の最終ステップである、科学機器の試運転に引き続き取り組んでいます。 私たちは最近、事象の地平線望遠鏡によって撮影された、私たちの天の川銀河の中心にあるブラックホールの壮観な画像を見ました。 現代の天文学のパズルの1つは、すべての大きな銀河がどのようにして巨大な中央のブラックホールを持つようになったのか、そしてこれらのブラックホールのいくつかが宇宙の非常に早い時期でさえ驚くほど大きいのかということです。 Webbの近赤外線分光計(NIRSpec)機器科学チームのメンバーであるRoberto Maiolinoに、Webbがこれらの質問のいくつかに答えるのにどのように役立つかを尋ねました。

「ウェッブがこれから開こうとしている発見の最もエキサイティングな分野の1つは、初期の宇宙における原始ブラックホールの探索です。 これらは、天文学者が銀河核で発見したはるかに大きなブラックホールの種です。 ほとんどの(おそらくすべての)銀河は、その中心にブラックホールをホストしており、その質量は、太陽の数百万倍から数十億倍の範囲にあります。 これらの超大質量ブラックホールは、それらの周りの物質をゴブリングすることによって、また小さなブラックホールの融合によって、非常に大きくなりました。

「興味深い最近の発見は、宇宙がわずか約7億年前、現在の138億年の年齢のごく一部であるときに、すでに数十億の太陽質量の質量を持つ超大規模ブラックホールの発見です。 標準的な理論によれば、そのような初期の時代には、そのような超大規模なブラックホールを成長させるのに十分な時間がないので、これは不可解な結果です。 この難問を解決するために、いくつかのシナリオが提案されています。

「1つの可能性は、初期の宇宙での最初の世代の星の死に起因するブラックホールが、非常に高い割合で物質を蓄積したことです。 別のシナリオは、ヘリウムより重い化学元素によってまだ濃縮されていない原始の原始的なガス雲が直接崩壊して、[{” attribute=””>black hole with a mass of a few hundred thousand solar masses, and subsequently accrete matter to evolve into the hyper-massive black holes observed at later epochs. Finally, dense, nuclear star clusters at the centers of baby galaxies may have produced intermediate mass black hole seeds, via stellar collisions or merging of stellar-mass black holes, and then become much more massive via accretion.

Populations of Known Black Holes in Early Universe

This illustration shows the populations of known black holes (large black dots) and the candidate black hole progenitors in the early universe (shaded regions). Credit: Roberto Maiolino, University of Cambridge

“Webb is about to open a completely new discovery space in this area. It is possible that the first black hole seeds originally formed in the ‘baby universe,’ within just a few million years after the big bang. Webb is the perfect ‘time machine’ to learn about these primeval objects. Its exceptional sensitivity makes Webb capable of detecting extremely distant galaxies, and because of the time required for the light emitted by the galaxies to travel to us, we will see them as they were in the remote past.

“Webb’s NIRSpec instrument is particularly well suited to identify primeval black hole seeds. My colleagues in the NIRSpec Instrument Science Team and I will be searching for their signatures during ‘active’ phases, when they are voraciously gobbling matter and growing rapidly. In these phases the material surrounding them becomes extremely hot and luminous and ionizes the atoms in their surroundings and in their host galaxies.

“NIRSpec will disperse the light from these systems into spectra, or ‘rainbows.’ The rainbow of active black hole seeds will be characterised by specific ‘fingerprints,’ features of highly ionized atoms. NIRSpec will also measure the velocity of the gas orbiting in the vicinity of these primeval black holes. Smaller black holes will be characterized by lower orbital velocities. Black hole seeds formed in pristine clouds will be identified by the absence of features associated with any element heavier than helium.

“I look forward to using Webb’s unprecedented capabilities to search for these black hole progenitors, with the ultimate goal of understanding their nature and origin. The early universe and the realm of black holes seeds is a completely uncharted territory that my colleagues and I are very excited to explore with Webb.”

Roberto Maiolino, professor of experimental astrophysics and director of the Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge

Written by:

  • Jonathan Gardner, Webb deputy senior project scientist,

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