私たちは宇宙論の鶏が先か卵が先かの問題をついに解決したかもしれない

偉大な哲学者サミュエル・バトラーが 1878 年に書いたように、「ニワトリは卵が別の卵を作る手段に過ぎない」とすれば、銀河はブラックホールが別のブラックホールを作る手段に過ぎないかもしれません。つまり、先に来た問題ではブラックホールが勝つようです。

私たちがこれまでに見たすべての巨大銀河は、全宇宙にわたって、その中心に超大質量ブラックホールを持っています。この 2 つは密接に関連しています。銀河のすべての物質がブラック ホールに供給され、ブラック ホールが銀河の進化を形作ります。しかし、この共生がどのように始まるのかは、宇宙論における長年の疑問です。ブラックホールが形成され、その周囲に物質が集まって銀河が形成されるのでしょうか、それとも銀河が成長し、その後中央で崩壊してブラックホールを形成するのでしょうか?

この疑問の中心部分は、超大質量ブラックホール自体が明らかに不可能であるということである。それらは存在するには大きすぎるのです。少なくとも、ビッグバンから 5 億年も経っていない当時、存在し始めたには大きすぎます。成長には長い時間がかかるように聞こえるかもしれないが、ビッグバンが1月1日、今日が12月31日として宇宙の一生をカレンダーに例えると、最初の超大質量ブラックホールは1月中旬にはすでに太陽の数億倍の質量になっていたことになる。私たちが理解している物理法則によれば、これほど急速に巨大化することがあり得る明白な方法はありません。

私たちが知っている限り、超大質量ブラックホールを作成するには 4 つの方法があります。最も直感的なのは、大質量星が崩壊するときに形成される、古い通常の恒星質量ブラックホールの合体によるものです。しかし、星が成長するだけでも数億年から数十億年かかり、その後、星は崩壊して合体を続けなければなりません。これらすべてを行うには時間が足りませんでした。 2つ目は、いわゆる巨大シードの形成によるもので、おそらく原始星と呼ばれる最も初期の星、あるいは暗黒物質でできた星、さらには星団から非常に大きくなるだろう。しかし、それは単なる危険な仕事です。なぜなら、まだ宇宙の非常に早い段階でその種を形成する必要があるからです。また、私たちが取り組める時間は 5 億年しかなく、それだけでは十分ではありません。したがって、私たちには 2 つの実行可能な選択肢が残されています。1 つは巨大なガス雲が、他の中間段階を経ずに直接ブラックホールになるほど巨大になるまで、強い放射線によって星が形成されるのを防ぐ直接崩壊と、原始ブラックホールです。

原始ブラックホールは、確かな証拠がないため特に物議を醸していますが、もし存在すれば非常に有用です。また、非常に奇妙なものになるので、個人的にはその存在には非常に懐疑的ですが、存在することを願っています。もしそれらが存在するなら、それらはビッグバン後の最初の瞬間に、星からではなく（星はまだ存在していませんでした）、単に初期宇宙の極度の圧力によって形成されたでしょう。それらへの関心のほとんどは、それらが他のタイプのブラック ホールよりもはるかに小さい可能性があるという事実から来ていますが、ここではそれが重要ではありません。銀河の形成に関して言えば、私たちが関心を持っている銀河の種類は、実際には巨大なものになります。なぜなら、銀河はより大きく始まり、他のすべての可能性よりも早く形成されるからです。

原始ブラックホールが実在し、超大質量ブラックホールがこれほど早期に巨大化した方法も存在するのであれば、これは鶏が先か卵が先かの問題に対する完全な答えとなる。これらのブラックホールで銀河がすでに形成されているはずはありません。しかし、それらについての証拠はありません。

少なくとも、私たちはそうではありませんでした。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) のおかげで、私たちは最近、宇宙の年の初めをこれまで以上に近くで見ることができるようになり、私たちが見ているすべての期間にすでに超大質量ブラックホールがあるようです。銀河の構造は、さらに遡ってみると変化します。 JWST によるこの最大かつ最も不気味な例は、リトル レッド ドットと呼ばれる遠方の銀河の出現でした。これは私たちがこれまで見たことがありませんでしたが、JWST は数百もの銀河を検出しました。その名前が示すように、それらは小さくて赤く、そして本当に本当に遠くにあります。

これらが実際に銀河であることを完全に確認するにはしばらく時間がかかりましたが、今ではそれをかなり確信しています。それらが銀河であると仮定すると、その中心にあるブラックホールは異常に大きく、異常に速い速度で回転します。他にもいくつかの謎がありますが、これらのブラックホールのサイズは本当に奇妙なものです。 2024 年に研究者たちが、ブラック ホールの質量はおそらくこれらの銀河の質量の 20 ～ 70 パーセントであることに気づきました。超大質量ブラック ホールのほとんどは、そのホスト銀河の質量の半分未満です。これを調整する本当の方法はないようでした。

再びJWSTが助けてくれました。さらに、エイベル 2744-QSO1 (または単に QS01) と呼ばれる小さな赤い点の光を拡大した幾何学の偶然により、ビッグバンからわずか 7 億年後に存在した銀河の前例のない眺めが天文学者に与えられました。異常な速度で移動する中心周囲のガスの速度を測定することにより、QS01 とその中心のブラック ホールの質量を計算することができました。これは、ビッグバンから 10 億年以内のブラック ホールについてはこれまでに行われたことのない測定です。ブラックホールの質量は太陽質量約5000万倍であることが判明した。銀河全体の数は最大でも約 7,500 万です。

これを説明するには、直接崩壊か原始ブラックホールの 2 つの方法しかなく、どちらもブラックホールの前に銀河が形成されることを伴いません。したがって、この特定の銀河の中心にあるブラックホールは、少なくとも卵であり、最初に誕生したようです。問題は解決されました。

もちろん、それはそれほど簡単なことではありません。次に、QS01 が典型的なものであるかどうかを確認するために、できるだけ多くの他の小さな赤い点をチェックし、そのブラック ホールがどのように正確に形成されたのか、そして銀河の残りの部分が何でできているのかを理解する必要があります。これらの疑問に対する答えによって、さらに多くの謎が生じることは間違いありません。しかし、勝利を祝う価値はあり、最終的に「卵が最初に到着した」と言えるのは一度だけです。