彼女が確信を持つ何年も前から、 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 正常に起動しますが、 クリスティーナ・エイラーズ 初期宇宙を専門とする天文学者のための会議の計画を開始しました。 彼女は、もし JWST が観測を開始したら、できればそのときに、彼女と同僚がたくさん話し合うことになるだろうとわかっていました。 タイムマシンのように、この望遠鏡はこれまでのどの機器よりも遠く、さらに過去を見ることができました。

エイラーズ (そしてその他の天文コミュニティ) にとって幸いなことに、彼女の計画は無駄ではありませんでした。JWST は何の問題もなく打ち上げ、展開され、XNUMX 万マイル離れた宇宙の止まり木から初期宇宙の本格的な調査を開始しました。

150月中旬、約XNUMX人の天文学者がエイラーズのJWST「ファーストライト」会議のためにマサチューセッツ工科大学に集まった。 JWSTからまだXNUMX年も経っていない 画像の送信を開始しました 地球に戻ります。 そしてエイラーズ氏の予想どおり、この望遠鏡はすでに宇宙の最初のXNUMX億年についての天文学者の理解を再構築しつつあった。

無数のプレゼンテーションの中で、一組の謎めいたオブジェクトが際立っていました。 一部の天文学者はそれらを「隠れた小さな怪物」と呼びました。 他の人にとって、それらは「小さな赤い点」でした。 しかし、その名前が何であれ、データは明らかでした。JWST が若い銀河 (暗闇の中で単なる赤い斑点のように見えます) を見つめると、中心でサイクロンが渦巻いている驚くべき数の銀河が見えます。

マサチューセッツ工科大学（MIT）の天文学者エイラーズ氏は、「私たちが知らなかった情報源が豊富に存在するようだが、それが見つかるとはまったく予想していなかった」と語った。

ここ数カ月間、宇宙の汚れの大量の観測が天文学者を喜ばせ、困惑させてきた。

「みんなこの小さな赤い点のことを話しています」と彼は言いました。 シャオホイ・ファン、アリゾナ大学の研究者で、初期宇宙の遠い天体の探索にキャリアを費やしてきました。

竜巻の中心となる銀河についての最も単純な説明は、太陽数百万個もの重さの大きなブラックホールがガス雲を狂乱させているということだ。 この発見は予想通りであると同時に当惑させるものでもある。 JWST は古代の物体を発見するために部分的に構築されたため、これは予想されています。 彼らは、説明のつかないほど早い時期に宇宙の記録に現れたと思われる、XNUMX億太陽の巨大ブラックホールの祖先です。 今年発見されたXNUMXつの記録的な新星など、これらの前駆体ブラックホールを研究することで、科学者らは最初の巨大なブラックホールがどこから来たのかを知り、おそらくXNUMXつの競合する理論のどちらがその形成をよりよく説明しているかを特定したいと考えている。彼らは単に大きく生まれただけなのでしょうか？ しかし、JWST がこれほど多くの若くて飢えたブラックホールを発見すると予想していた天文学者はほとんどいなかったため、観測結果はまた困惑している。そして調査では、その数が十数個見つかっていることが判明している。 前者の謎を解決しようとする過程で、天文学者たちは星や銀河などに関する確立された理論を書き換える可能性がある大量のブラックホールを発見しました。

「理論家として、私は宇宙を構築しなければなりません」と彼は言いました マルタ・ボロンテリ, パリ天体物理学研究所のブラックホールを専門とする天体物理学者。 ボロンテリ氏とその同僚たちは現在、初期宇宙への巨大ブラックホールの流入と闘っている。 「もしそれらが[本物]なら、状況は完全に変わります。」

宇宙のタイムマシン

JWST の観測が天文学を揺るがしている理由の XNUMX つは、この望遠鏡が初期のどの機械よりも宇宙の深部から地球に届く光を検出できるためです。

「私たちはこの途方もなく強力な望遠鏡を20年かけて作りました」と述べた。 グラント・トレンブレイ、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天体物理学者。 「もともとその目的は、宇宙時間を深く調べることでした。」

このミッションの目標の 13.8 つは、宇宙の最初の XNUMX 億年間 (約 XNUMX 億年の歴史のうち) に形成される銀河を捉えることです。 去年の夏からの望遠鏡の最初の観測 若い宇宙を暗示した 驚くほど成熟した銀河がたくさんあったが、天文学者がそのような画像から引き出せる情報は限られていた。 初期宇宙を本当に理解するために、天文学者は単なる画像以上のものを必要としていました。 彼らは、それらの銀河のスペクトル、つまり望遠鏡が入ってくる光を特定の色に分解するときに得られるデータを切望していました。

JWST が昨年末から本格的に送り始めた銀河スペクトルは XNUMX つの理由で有用です。

まず、彼らは天文学者に銀河の年齢を突き止めさせた。 JWST が収集する赤外光は赤くなる、または赤方偏移します。これは、赤外光が宇宙を通過するときに、その波長が空間の膨張によって引き伸ばされることを意味します。 天文学者はその赤方偏移の範囲から銀河までの距離、つまり銀河が最初に光を発した時期を決定することができます。 近くの銀河の赤方偏移はほぼゼロです。 JWST は、ビッグバン後約 5 億年に相当する赤方偏移 1 を超えた天体を簡単に識別できます。 より高い赤方偏移にある天体は、かなり古く、より遠くにあります。

第二に、スペクトルは天文学者に銀河の中で何が起こっているのかを理解させるものです。 それぞれの色相は、光子と特定の原子 (または分子) の間の相互作用を示します。 ある色は、衝突後に沈降するときに点滅する水素原子から生じます。 別のものは酸素原子の衝突を示し、別のものは窒素原子を示します。 スペクトルは、銀河が何でできているか、そしてそれらの元素が何をしているかを明らかにする色のパターンであり、JWST は、前例のない距離にある銀河にその重要なコンテキストを提供しています。

「私たちは非常に大きな飛躍を遂げました」と述べた アーユシュ・サクセナ, オックスフォード大学の天文学者。 「私たちが赤方偏移 9 銀河の化学組成について話している」という事実は、まったく驚くべきことです。

(赤方偏移 9 は気が遠くなるほど遠く、宇宙が誕生してわずか 0.55 億 XNUMX 千万年だった時代に相当します。)

銀河のスペクトルは、原子の主要な摂動体、つまり銀河の中心に潜む巨大なブラックホールを見つけるための完璧なツールでもあります。 ブラックホール自体は暗いですが、ガスや塵を食べると原子を引き裂き、明らかな色を放射します。 JWST の打ち上げのずっと前から、天体物理学者たちは、この望遠鏡がそれらのパターンを発見し、初期宇宙の最大かつ最も活発なブラックホールを十分に発見して、その形成方法の謎を解明するのに役立つことを期待していました。

大きすぎる、早すぎる

この謎は 20 年以上前に始まり、ファン率いるチームが次の XNUMX つを発見したときに始まりました。 最も遠い銀河 これまでに観察されたことのない、輝かしいクェーサー、またはおそらく太陽数十億個の重さがある活動中の超大質量ブラックホールに固定された銀河です。 赤方偏移は 5 で、ビッグバンから約 1.1 億年後に相当します。 ファンと彼の同僚たちは、空をさらに一掃することで自身の記録を繰り返し破り、クエーサーの赤方偏移のフロンティアを押し上げました。 6で2001 そして最終的に 7.6で2021 —ビッグバンからわずか0.7億年後。

問題は、このような巨大なブラックホールを作ることは、宇宙の歴史の初期には不可能に思われたことでした。

他の物体と同様に、ブラックホールは成長して形成されるまでに時間がかかります。 そして、身長6フィートの幼児のように、ファンの超大型ブラックホールは彼らの年齢に対して大きすぎた。宇宙は彼らが太陽数十億個の重さを蓄積できるほど古くはなかった。 成長しすぎた幼児を説明するために、物理学者は XNUMX つの不快な選択肢を検討する必要がありました。

XNUMXつ目は、ファンの銀河は、超新星がよく残してしまうような、標準的なほぼ恒星質量のブラックホールで満たされていたということだ。 その後、それらは合体したり、周囲のガスや塵を飲み込んだりして成長しました。 通常、ブラックホールが十分に攻撃的に活動すると、大量の放射線がその一片を押しのけます。 これにより、摂食の熱狂が止まり、科学者がエディントン限界と呼ぶブラックホールの成長速度の限界が設定される。 しかし、それは柔らかい天井です。おそらく、絶え間ない塵の奔流が、降り注ぐ放射線を克服する可能性があります。 しかし、ファンの野獣を説明するのに十分な期間、そのような「スーパーエディントン」の成長を維持することを想像するのは困難です - 彼らは考えられないほどの速さで体を大きくする必要があったでしょう。

あるいは、信じられないほど大きなブラックホールが生まれる可能性もあります。 初期宇宙のガス雲は、太陽数千個の重さのブラックホールに直接崩壊し、重いシードと呼ばれる物体を生成した可能性があります。 このような大きくて塊状のガス雲は、ブラックホールが形成される前に星に砕けるはずなので、このシナリオも納得がいきません。

JWST の優先事項の XNUMX つは、過去を覗き込み、ファン銀河のより暗い祖先を捕捉することによって、これら XNUMX つのシナリオを評価することです。 これらの前駆体は完全にクェーサーではなく、クェーサーになる途中のやや小さなブラック ホールを持つ銀河です。 JWST を使用すると、科学者は、かろうじて成長し始めたブラックホール、つまり研究者が出生体重を特定できるほど若くて十分小さい天体を発見する最高のチャンスを得ることができます。

コルビー大学のデイル・コジェフスキー率いる宇宙進化早期放出科学調査（CEERS）の天文学者グループが、クリスマス後の数日間にこのような若いブラックホールが出現する兆候に初めて気づいたとき、残業を始めた理由のXNUMXつはこれだ。

「これが何個あるのかはちょっと印象的だ」と書いている ジェイハン・カルタルテペ、ロチェスター工科大学の天文学者、Slack でのディスカッション中に。

「小さな隠れたモンスターがたくさんいるよ」とコチェフスキーは答えた。

増え続けるモンスターの群れ

CEERS スペクトルでは、いくつかの銀河がすぐに飛び出し、赤ちゃんブラックホール (小さなモンスター) を隠している可能性があります。 よりバニラの兄弟とは異なり、これらの銀河は、水素の鮮明な色合いだけでは届かない光を発しました。 代わりに、水素の線はさまざまな色相に塗りつぶされるか広がっており、軌道を周回するガス雲が JWST に向けて加速するにつれて一部の光波が押しつぶされたことを示しています (ちょうど、近づいてくる救急車がサイレンの音波が圧縮されて上昇するうめき声を発するのと同じです)。雲が飛んでいくにつれて波が伸びた。 コチェフスキーと彼の同僚は、ブラックホールがそのように水素をまき散らすことができるほぼ唯一の物体であることを知っていました。

「ブラックホールの周りを回るガスの幅広い成分を見る唯一の方法は、銀河のバレルを真下に、そしてブラックホールの中に直接見ることです」とコチェフスキー氏は言う。

185月末までに、CEERSチームは、彼らが「隠れた小さなモンスター」と呼ぶXNUMX匹について説明するプレプリントを作成することに成功した。 その後、グループは、プログラムによって収集された数百の銀河のより広い範囲を体系的に研究し、そこにどれだけのブラックホールがあるかを確認することに着手しました。 しかし、わずか数週間後、彼らは東京大学の張兼祐一率いる別のチームにスクープされた。 ハリカネ氏のグループは、最も遠い XNUMX 個の CEERS 銀河を探索し、 10個見つかりました 幅の広い水素の線があり、赤方偏移 4 から 7 にある太陽質量 XNUMX 万個の中心ブラックホールの働きであると考えられます。そして XNUMX 月には、次の XNUMX つの調査の分析が発表されました。 ジョリット・マッシー スイス連邦工科大学チューリッヒ校は、さらに 20 個を特定しました。小さな赤い点幅広い水素の線がある: 赤方偏移の周囲をかき回すブラックホール 5. 分析 XNUMX月上旬に投稿されました さらに数十の企業が発表されており、そのうちのいくつかは合併によって成長する過程にある可能性もあります。

「私はこれらのことを長い間待っていた」とボロンテリは語った。 「信じられないほどでした。」

しかし、巨大で活動的なブラックホールを持つ銀河の数を予想した天文学者はほとんどいませんでした。 JWST の初年度の観測におけるベビークェーサーの数は、科学者がデータに基づいて予測していたよりも多かったです。 成体クエーサーの個体数調査 — 10倍から100倍豊富です。

「天文学者にとって、私たちが一桁、あるいはそれ以上にずれていたことは驚くべきことです」と、小さな赤い点の論文に寄稿したエイラーズ氏は語った。

「高赤方偏移では、これらのクエーサーは氷山の一角にすぎないといつも感じていました」と、国立科学財団 NOIRLab の天文学者であり、リトルモンスター論文の共著者であるステファニー・ジュノー氏は言う。 「その下では、この[暗い]個体群が通常の氷山よりもさらに大きいことが判明するかもしれません。」

この 11 つはほぼ XNUMX に達します

しかし、その幼獣の姿を垣間見るには、赤方偏移 5 をはるかに超えて、宇宙の最初の XNUMX 億年をさらに深く調べる必要があることを天文学者は知っています。 最近、いくつかの研究チームが、前例のない距離でブラックホールが餌を食べているのを発見しました。

3月、主導によるCEERS分析 レベッカ・ラーソンテキサス大学オースティン校の天体物理学者は、銀河内に赤方偏移 8.7 (ビッグバンから 0.57 億 XNUMX 千万年後) の幅の広い水素線を発見し、これまでに発見された最も遠い活動性ブラックホールの新記録を樹立しました。

しかし、ラーソンの記録は、JADES (JWST 先進深部銀河系外探査) と協力した天文学者たちが GN-z11 のスペクトルを入手したわずか数か月後、破られました。 赤方偏移 10.6 では、GN-z11 はハッブル宇宙望遠鏡の視野の最もかすかな端にあり、科学者たちはより鋭い目でそれを研究することに熱心でした。 10月までに、JWSTはGN-z11の観察にXNUMX時間以上を費やし、研究者らはこの銀河が風変わりなものであることをすぐに知ることができた。 その豊富さは、 窒素 「完全に調子が悪かった」と彼は言った ヤン・ショルツ、ケンブリッジ大学のJADESメンバー。 若い銀河でこれほど多くの窒素を見るのは、6時の影を持つXNUMX歳の子供に会うようなもので、特に窒素を銀河のわずかな酸素貯蔵量（星が最初に組み立てるべき単純な原子）と比較したときはそうだった。

JADES の共同作業は、16 月初旬にさらに 11 時間ほどの JWST 観察時間を続けました。 追加のデータによりスペクトルが鮮明になり、目に見える窒素の XNUMX つの色合いが非常に不均一であることが明らかになりました (XNUMX つは明るいもの、もう XNUMX つは暗いもの)。 研究チームによると、このパターンはGN-zXNUMXが密集したガス雲で満たされていることを示しているという。 恐ろしい重力.

「そのとき、私たちはブラックホールの降着円盤をじっと見つめていたことに気づきました」とショルツ氏は語った。 この偶然の配置は、そもそも遠方の銀河がなぜハッブルが見ることができるほど明るかったのかを説明しています。

GN-z11 のような非常に若い、飢えたブラックホールは、天体物理学者がファンのクエーサーがどのようにして生まれたのかという難題を解決できると期待していたまさに天体です。 しかし、ひねりを加えれば、最上級のGN-z11ですら、研究者が出生質量を決定的に決定できるほど若くもなく、小さくもないことが判明した。

「赤方偏移が11よりもはるかに高いブラックホール質量の検出を開始する必要がある」とショルツ氏は述べた。 「XNUMX年前にはこんなことを言うとは思っていませんでしたが、こうなりました。」

重みのヒント

それまで、天文学者たちは、生まれたばかりのブラックホールを見つけて研究するために、より巧妙なトリック、つまり友人や他の主力宇宙望遠鏡に電話して助けを求めるなどのトリックに頼っています。

2022 年初頭、ボロンテリ、トレンブレイ、および彼らの共同研究者らは、NASA のチャンドラ X 線天文台に対し、JWST の候補リストに含まれるであろう銀河団を定期的に指摘し始めました。 クラスターはレンズのように機能します。 それは時空の構造を曲げ、その背後にあるより遠くの銀河を拡大します。 研究チームは、これらの背景銀河のいずれかが、貪欲なブラックホールの伝統的な名刺である X 線を吐き出しているかどうかを確認したいと考えました。

19 年にわたって、チャンドラは 1 週間にわたって宇宙レンズを見つめ、これまでで最長の観測キャンペーンの XNUMX つとなり、UHZXNUMX と呼ばれる銀河から来る XNUMX 個の X 線光子を収集しました。 赤方偏移 10.1。 これら 19 個の高オクタン価光子は、ビッグバンから XNUMX 億年も経たないうちに存在した成長中のブラック ホールから来た可能性が高く、これまで検出された中で最も遠い X 線源となっています。

JWST とチャンドラのデータを組み合わせることで、グループは奇妙なこと、そして有益なことを学びました。 現代の銀河のほとんどでは、ほとんどすべての質量が星にあり、中心のブラック ホールには 1% 未満しかありません。 しかし、UHZXNUMX では、質量は星とブラック ホールの間で均等に分割されているように見えます。これは、天文学者がスーパー エディントン降着に予想していたパターンではありません。

もっと納得のいく説明をすると、 チームが提案した、それは、UHZ1の中心ブラックホールは、巨大な雲が巨大なブラックホールに崩れて、星を作るためのガスがほとんど残らなかったときに誕生したということです。 これらの観察は「重い種子と一致する可能性がある」とトレンブレイ氏は述べた。 「たった今崩壊する巨大なガスの球について考えるのは、クレイジーです。」

それはブラックホール宇宙です

過去数か月にわたる狂ったスペクトル争奪戦から得られた具体的な発見の一部は、研究が査読を経るにつれて変化することは必至だ。 しかし、若い宇宙が多数の巨大で活動的なブラックホールを極めて急速に生み出したという大まかな結論は、おそらく生き残るだろう。 結局のところ、ファンのクエーサーはどこからか来たに違いありません。

「各天体の正確な数と詳細は依然として不明だが、大量の降着ブラックホールが見つかっていることは非常に説得力がある」とエイラーズ氏は語った。 「JWST がそれらを初めて明らかにしました。それは非常にエキサイティングです。」

ブラックホールの専門家にとって、これは長年温められてきた新事実だ。 最近の研究 乱雑な思春期の銀河 現代の宇宙では、若い銀河の活動的なブラックホールが見過ごされていることが示唆されました。 そして、理論家たちは、デジタルモデルが天文学者が実際に観察していたよりもはるかに多くのブラックホールを持つ宇宙を生成し続けたため、苦戦してきました。

「私はいつも自分の理論は間違っており、観察は正しいと言ってきたので、理論を修正する必要がある」とボロンテリ氏は語った。 しかし、おそらくその矛盾は理論の問題を示しているわけではありません。 「おそらく、これらの小さな赤い点は考慮されていなかったのでしょう」と彼女は言いました。

成熟する宇宙において、燃えるブラックホールが単なる宇宙のカメオ以上の役割を果たしていることが判明しつつある今、天体物理学者たちは、天体をより具体的な理論的役割に再キャストすることで、他の頭痛の種を軽減できるのではないかと考えている。

JWST の最初の画像のいくつかを研究した後、一部の天文学者は、特定の画像が次のようなものであることをすぐに指摘しました。 銀河 彼らの若さを考えると、ありえないほど重そうだった。 しかし、少なくとも場合によっては、目がくらむほど明るいブラックホールにより、研究者が周囲の星の重さを過大評価する可能性がある。

微調整が必​​要な可能性があるもう XNUMX つの理論は、銀河が星を大量に生み出す速度であり、銀河シミュレーションではこの速度が高すぎる傾向があります。 コチェフスキー氏は、多くの銀河が、星の形成速度を遅らせる隠れた怪物段階を経験していると推測している。 それらは最初は星を作る塵の中に閉じ込められていたが、その後ブラックホールは星の成分を宇宙にばらまくほど強力になり、星の形成を遅らせた。 「我々はそのシナリオを検討しているかもしれない」と彼は言った。

天文学者たちが初期宇宙のベールを解くにつれ、学術的な直感が具体的な答えを上回ります。 JWST はすでに、活動中のブラックホールに対する天文学者の考え方を変えつつあるが、今年望遠鏡で明らかになった宇宙の様子は、今後起こるものと比べれば単なる逸話に過ぎないことを研究者らは知っている。 JADES や CEERS などの観測キャンペーンでは、満月のおよそ XNUMX 分の XNUMX の大きさの空の切れ端から、ブラックホールと思われる数十個のブラックホールがこちらを見つめているのを発見しました。 さらに多くの赤ちゃんブラックホールが望遠鏡とその天文学者の注目を待っています。

「この進歩はすべて、最初の 12 ～ 10 か月の間に達成されました」とサクセナ氏は言いました。 「これで、今後 XNUMX 年か XNUMX 年は [JWST] が使えます。」