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・日経サイエンス2018／10特集巨大ブラックホール爆誕
日経サイエンス今年10月号の特集は、「巨大ブラックホール爆誕」です。
爆誕という日本語がいつ認知され定着したのかは知りませんが、まあ意味は分かりますね(^_^
クエーサーは、銀河の中心に存在する巨大ブラックホールに周囲から物質が落ち込み続けて、母銀河に匹敵する明るさでエネルギーを放出している、宇宙で一番明るい天体です。
普通は、小さく生まれて、だんだん（どんどん、でもいいけど）大きくなるというのが物事の順序というものです。
従来の理論によれば、クエーサーを構成するほどの巨大ブラックホールが育つためには、最低でも10億年以上の時間を要すると考えられます。
ところが、宇宙初期のクエーサーが次々と発見されているのです。
既知で最古、つまり最遠のクエーサーは昨年2017年12月に報告されたもので、ビッグバンからわずか6億9000万年後に存在していました。
今回の特集では、この謎を解く仮説を紹介する記事が2つ紹介されています。
１．浮上した直接崩壊シナリオ
こちらの記事の著者は、P.ナタラジャン(Priyamvada Natarajan)さん。
エール大学の理論宇宙物理学者で、専門は宇宙論と重力レンズ効果、ブラックホール。
末尾に小さい写真だか似顔絵だかが載っていますが、お名前のとおりインド系の美女です。
訳者はあの福江純さん。
「従来のシナリオ」は次のようなものです。
・宇宙初期の銀河には、大質量の種族III（第1世代）の星(Population III star)が存在する。
・種族IIIの星が超新星爆発を起こして、タネブラックホールを残す。
・ブラックホールは互いに合体しまた周りの星やガスを吸収して、大きく成長する。
現在の大質量星は超新星爆発後にせいぜい数十太陽質量程度のブラックホールしか残せませんが、種族IIIの星は現在の星より桁違いに重く、数百太陽質量にものぼるブラックホールを残したものと考えられます。
それらが合体し成長して数千太陽質量のブラックホールになることは可能ですが、それでも太古のクエーサーを輝かせるのに必要な質量には遠く及びません。
ブラックホールが周囲の物質を最も効率的に吸収して成長する最大の率は、「エディントン率」として知られています。
エディントン率でガスを吸収するブラックホールは指数関数的に成長し、その質量は約5000万年ごとに倍になります。
10太陽質量のタネブラックホールが物質の吸収により10億太陽質量まで成長するには、エディントン率で星やガスを10億年間むさぼり続ける必要がありますが、そのように極限的な状態がそれほど長く継続すると考えるのは困難です。
著者たちが2006年と2007年に発表した一連の論文で提唱した新しい「直接崩壊シナリオ」は次のようなものです。
・大質量のガス円盤が星のない銀河で形成される。（宇宙年齢約1億8000万年）
・ガス円盤が崩壊し、1万〜100万太陽質量の直接崩壊型ブラックホール(direct-collapse black holes, DCBHs)が形成される。（同約2億7000万年）
・直接崩壊型ブラックホールを宿す銀河が近くの星に満ちた銀河と合体する。（同約3億7000万年）
・ブラックホールは星やガスを吸収して急成長し、肥満ブラックホール銀河ができる。（同約4億8000万年）
ポイントは、ガス円盤がなぜ直接崩壊するのかという点ですが、
・ガス円盤は、本来なら冷えて分裂し、星々を生み出して銀河になる。
・ガスに水素原子だけでなく水素分子が含まれていれば、ガス円盤は効率的に冷える。
・しかし、水素分子は近傍銀河の星々から放射を受けると、壊れて水素原子になる。
・そうなると、冷却は抑えられ、ガスは高温のままで星々は誕生できず、巨大なガス円盤は力学的に不安定になり、物質は中心へと急激に引き込まれ、巨大な直接崩壊型ブラックホールが誕生する。
・このシナリオが成立するためには、近隣に星々が存在しなければならない。
・したがって、直接崩壊型ブラックホールはすでに種族IIIの星々が誕生している大きな母銀河を周回する衛星銀河で形成されたと考えられる。
「肥満ブラックホール銀河」の意味ですが、
・一般に、銀河の中心にあるブラックホールの質量はその銀河の星々の総質量の1／1000程度。
・しかし、直接崩壊型ブラックホールを抱えた銀河が母銀河と合体すると、ブラックホールは急成長し、その質量は星々の総質量を超えると考えられる。
・そのような「肥満ブラックホール銀河(OBG)」は1〜30μｍの赤外線波長で極めて特徴的なスペクトルを示す。
（肥満のOは形容詞obeseか名詞obesityの頭文字だと思います。）
・この波長域は、2021年打ち上げ予定のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)で観測できる。
というわけで、JWSTに期待しましょう！ということです。
もっとも、JWSTは元記事がサイエンティフィック・アメリカンに掲載された今年2月には2019年打ち上げ予定だったのが、今年6月にNASAが2021年に打ち上げ延期を決定したということなので、やや不確実ですが。
それと、今回の記事では肥満ブラックホール銀河がどのようにして現在のような銀河に進化したのかという説明が欠けているのが気になります。
２．初期宇宙のドラマを再現
こちらの記事は、東大カブリ数物研の吉田直紀（なおき）さんの説を日経新聞の中島林彦さんがまとめたもの。
中島林彦さんは長年日経サイエンスの編集長などを務められ同誌に多数の記事を書いてきた実績をお持ちですが、お名前に振り仮名が振ってないので読めません(^^;
吉田さんの説は「暴風・暗黒ハローシナリオ」とでもいうべきもので、次の通りです。
・誕生から30万年後くらいの原始宇宙は、まだかなりの高温で、光子と電子、陽子、微量のα粒子（ヘリウム原子核）が混ざり合い、全体として一つの気体として振舞っていた。
・この気体には、宇宙誕生直後のインフレーションによる密度揺らぎがあり、それにより生じた乱れが疎密波つまり音波となって伝わっていた。
・音速は光速度の数分の1で、音波がもの凄い速さで伝わっていた。
・この音波により気体が圧縮された部分は温度が上昇し、希薄化した部分は温度が低下した。
・この音波による気体の動きは、最も速い場所では音速と同じ速さに達していた。
・宇宙は膨張しつつ次第に冷え、誕生から38万年後には光子が直進できるようになった（宇宙の晴れ上がり）。
・宇宙の晴れ上がりによりガスから光子が抜けたため、残ったガスは急速に冷え、それまで光速の数分の1だった音速は光速の数万分の1まで下がった。
・その結果、晴れ上がり前に光速の数分の1の速度で動いていたガスは、そのときは音速と同じ速度だったが、晴れ上がり後は音速をはるかに超える超音速流として振舞うようになり、これが宇宙の暴風域を作り出した。
・一方、普通の物質と相互作用しない暗黒物質も、密度揺らぎから生じた高密度域が重力によりハローと呼ばれる巨大な雲に成長した。
・これまで考えられていたような無風の場合には、暗黒物質ハローの重力にガスが引き付けられて、晴れ上がりから約5000万年後には星の母体になるガス雲が出現し始める。
・しかし、今回吉田さんたちが国立天文台のスパコン「アテルイ」などを延べ約3か月稼働させてシミュレーションを行ったところ、別の結果が得られた。
・暴風域では約5000万年後の段階ではガスが流れ去り、重力で集積することはない。
・しかし、晴れ上がりから1億年後になると、暴風域のガスの流速は宇宙膨張の影響もあって秒速3ｋｍ程度まで弱まる（それでも超音速）。
・その頃、成長した暗黒物質ハローは約2000万太陽質量規模になり、弱まってきたガス流は暗黒物質ハローの重力に捉えられ、ガス雲を形成し始める。
・これまでシミュレートされてきた無風域のガス雲はほぼ球状で、中心部で密度が最も高くなる。
・これに対し、暴風域のガス雲は尾を引いた彗星のような形状で、尾は数千光年の長さがあり、超音速ガス流の流れに沿う形になる。
・彗星の核に当たる最も密度が高い10光年程度の領域はフィラメント状になっていて、フィラメントの主要領域が2万6000太陽質量を超えると、重力的に不安定になってガス塊が急激に収縮し、中ほどあたりに原始星が誕生する。
・太陽質量の1／100程度の原始星が、たった2000年で50太陽質量をもつ大質量星に成長し、さらに成長を続けた。
・これほど成長が速い理由は、暴風域では無風域と比べ原始星へのガスの降着ペースが非常に速いために成長段階の原始星としては表面温度がかなり低く現在の太陽程度(6000Ｋ)となり、それにより星が放射する光は高エネルギーの紫外線ではなく主に可視光などの低エネルギーの光になるので、押し寄せてくるガスを加熱して吹き飛ばすことができないため、いわば際限なくガスが流入するからである。（ｋ：エディントン限界が当てはまらない。）
・星誕生からおよそ100万年で4万〜6万太陽質量まで成長した超巨大星は、その時点で中心部の水素が枯渇して巨大質量を支えるだけの高温高圧を維持できずに重力崩壊を引き起こし、大爆発することなく星全体がほぼそっくりブラックホールに転じる。
・数万太陽質量のブラックホールに対して星間ガスが比較的無理のないペースで降着し続ければ、宇宙誕生から7億〜8億年後には10億太陽質量程度の巨大ブラックホールになることは、天体物理学の基本理論から分かっている。
（シミュレーションで示されているのは以上のシナリオの一部だけですが、乱暴に要約させてもらいました。）
素人の感想ですが、10年前に提唱された直接崩壊シナリオと暴風・暗黒ハローシナリオを比較すると、後者の方が後発のためかもっともらしく感じられます。
皆さまはいかがでしょうか？
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