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2024-10-17 22:05:00
クエーサーは、中心に活動的な超大質量ブラック ホールを抱える銀河の非常に明るい核です。ブラックホールが周囲のガスや塵を引き込むと、膨大な量のエネルギーが噴出し、クエーサーは宇宙で最も明るい天体の一部となります。クエーサーは、ビッグバンから数億年後に観測されていますが、なぜこれらの天体がこれほど短い宇宙時間でこれほど明るく巨大に成長したのかは謎でした。
科学者らは、最も初期のクェーサーは原始物質の密度が高すぎる領域から発生し、クェーサーの環境内に多数のより小さな銀河も生成したであろうと提案している。しかし、MIT主導の新しい研究で、天文学者らは、初期の宇宙に驚くほど単独で存在しているように見えるいくつかの古代のクエーサーを観察した。
天文学者たちは、NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を使用して 130 億年以上前に遡り、既知の 5 つの古代クエーサーの宇宙環境を研究しました。彼らは、自分たちの近所、または「クエーサーフィールド」で驚くべき多様性を発見しました。すべてのモデルが予測するように、いくつかのクエーサーは 50 以上の隣接銀河を持つ非常に密集した領域に存在しますが、残りのクェーサーは、近くに数個の迷走銀河しかなく、空白の中に漂っているように見えます。
これらの孤独なクェーサーは、ブラック ホールの成長を促進する周囲の物質の重要な供給源がないにもかかわらず、このような発光天体がどのように宇宙の初期に形成されたのかについての物理学者の理解に挑戦しています。
これらのクエーサーは、見た目ほど孤立しているのではなく、塵に覆われた銀河に囲まれているため、視界から隠れている可能性があります。アイラーズ氏らは、クエーサーが初期の宇宙でどのようにしてこれほど大きく、これほど速く成長したのかを理解するために、そのような宇宙塵を透視できるように観測を調整したいと考えている。
エイラーズと彼女の同僚は、今日の雑誌に掲載される論文でその発見を報告しています。 天体物理学ジャーナル。 MIT の共著者にはポスドクの Rohan Naidu 氏と Minhao Yue 氏が含まれます。ロバート・シムコー氏、フランシス・フリードマン物理学教授、マサチューセッツ工科大学カブリ天体物理学・宇宙研究所所長。ライデン大学、カリフォルニア大学サンタバーバラ校、チューリッヒ工科大学などの機関からの協力者も含まれます。
銀河の隣人
新たに観測された 5 つのクエーサーは、これまでに観測された中で最も古いクエーサーの 1 つです。 130億年以上前のもので、この天体はビッグバンから6億年から7億年後に形成されたと考えられている。クェーサーに動力を供給している超大質量ブラックホールは、太陽よりも 10 億倍も重く、1 兆倍以上明るいです。それぞれのクエーサーからの光はその極度の明るさにより、宇宙の年齢を超えて伝わり、今日の JWST の高感度検出器に十分に到達します。
「130億年前の光を非常に詳細に捉えることができる望遠鏡が現在あるというのは、まさに驚異的です」とエイラーズ氏は言う。 「JWST によって、これらのクェーサーの環境、彼らが育った場所、そして彼らの近隣がどのようなものかを見ることが初めて可能になりました。」
研究チームは、2022年8月から2023年6月の間にJWSTによって撮影された5つの古代クェーサーの画像を分析した。各クェーサーの観測は複数の「モザイク」画像、つまりクェーサーのフィールドの部分的な画像で構成されており、チームはそれらを効果的につなぎ合わせて全体像を作り出した。各クエーサーの周囲の近傍。
この望遠鏡はまた、各クェーサーのフィールド全体にわたって複数の波長の光の測定も行い、チームはそれを処理して、フィールド内の特定の天体が隣接する銀河からの光であるかどうか、そして銀河がより明るい中心のクェーサーからどのくらい離れているかを判断した。
「これら 5 つのクエーサーの唯一の違いは、それらの環境が大きく異なって見えることであることがわかりました」とエイラーズ氏は言う。 「たとえば、あるクェーサーには周囲に約 50 個の銀河がありますが、別のクェーサーには 2 個しかありません。そして、どちらのクェーサーも同じ大きさ、体積、明るさ、時間の範囲内にあります。これは本当に驚くべきことでした。」
急成長
クエーサー領域の不均衡は、ブラックホールの成長と銀河形成の標準的な図式にねじれをもたらします。宇宙の最初の物体がどのようにして出現したかについての物理学者の最善の理解によれば、暗黒物質の宇宙の網がその方向性を定めたはずです。ダークマターは、重力以外の周囲との相互作用を持たない、まだ知られていない物質の形態です。
ビッグバンの直後、初期宇宙は一種の重力道路として機能し、蔓に沿ってガスや塵を引き寄せる暗黒物質のフィラメントを形成したと考えられている。このウェブの過度に密集した領域では、物質が蓄積してより大きな物体を形成したと考えられます。そして、クェーサーのような最も明るく、最も質量のある初期の天体は、ウェブの最も密度の高い領域で形成され、さらに多くの小さな銀河も大量に生み出されたであろう。
「宇宙の暗黒物質の網は、宇宙の宇宙論モデルの確実な予測であり、数値シミュレーションを使用して詳細に説明できます」と共著者のライデン大学大学院生エリア・ピッツァティ氏は言う。 「私たちの観測結果をこれらのシミュレーションと比較することで、クエーサーが宇宙の網のどこに位置するかを決定することができます。」
科学者らは、ビッグバンから10億年も経たない天文学者がクェーサーを観測した時点でクエーサーが極限の質量と光度に達するには、非常に高い降着率で継続的に成長する必要があったと推定している。
「私たちが答えようとしている主な疑問は、宇宙がまだ本当に若いときに、太陽質量数十億のブラックホールがどのようにして形成されるのかということです。宇宙はまだ初期段階にあります」とエイラーズ氏は言う。
チームの調査結果は、答えよりも多くの疑問を引き起こす可能性があります。 「孤独な」クエーサーは、宇宙の比較的空いている領域に住んでいるように見えます。物理学者の宇宙論モデルが正しければ、これらの不毛な領域は、暗黒物質、つまり星や銀河を作り出すための出発物質がほとんど存在しないことを意味します。では、極めて明るく巨大なクエーサーはどのようにして誕生したのでしょうか?
「私たちの結果は、これらの超大質量ブラックホールがどのように成長するかについて、パズルの重要な部分がまだ欠けていることを示しています」とエイラーズ氏は言う。 「一部のクェーサーが成長し続けるのに十分な物質が周囲にないということは、クェーサーが成長できる別の方法があるに違いないが、それはまだ解明されていないことを意味する。」
この研究は、欧州研究評議会によって部分的に支援されました。
#天文学者が起源不明の古代の孤立したクエーサーを検出