目もくらむほど明るいブラックホールは宇宙学者が宇宙の過去をより深く知るのに役立つかもしれない

宇宙の最も基本的な謎のいくつかを解明することに熱心な天文学者たちは、新たなターゲットに目を向けている。それは、巨大なブラックホールの周りを激しく渦巻き、その鮮やかな光で宇宙を貫く物質の嵐、クエーサーである。

あまり理解されていないこれらの銀河核は、宇宙にあるほぼすべての他の物体よりも輝いている。想像を絶する距離から見えるこれらの物体は、宇宙の膨張など、宇宙全体の特定の特徴を理解するために研究者が必要とするものであることが判明するかもしれない。強力なスポットライトを利用する初期の試みは不確実性に悩まされてきたが、新しい分析により、これらの物体は研究者が宇宙の歴史にぽっかり開いた穴を埋めるために使用できるほど一貫して輝く可能性があることが判明した。

「非常に大きなギャップがあります」とイタリアのミラノにある国立天体物理学研究所の天体物理学者スザンナ・ビゾーニ氏は言う。「クエーサーはこの範囲にまたがる可能性があります。」

特別な超新星が膨張する宇宙を照らす

過去数十年間、広大な距離を測る基準は恒星の爆発の一種、1a型超新星だった。これらの超新星は通常、同じ明るさで爆発するため、より明るい超新星はより近く、より暗い超新星はより遠くにあるはずだと天文学者は知っている。これらのいわゆる「標準光源」は、宇宙がますます速く膨張していることを明らかにし、謎の「ダークエネルギー」が銀河を分離させていることを示唆している。

しかし、個々の星は、たとえ爆発している星であっても、天文学者が暗闇の奥深くを覗き込むと、やがて消滅する。現在の望遠鏡では、研究者は90億年から100億年前より前のタイプ1aの超新星を見ることはできない（光が地球に届くまでに数十億年かかるため、宇宙を覗くことは時間を遡ることでもある）。目に見える超新星がなければ、宇宙全体の進化を専門に研究する宇宙学者は、宇宙の最初の40億年間に何が起こったのか、ほとんど何もわからないままである。

新しい標準キャンドル

ここでクエーサーが登場します。超大質量ブラックホールは、非常に強い勢いでガスを自分自身に引き寄せるため、物質は白熱し、周囲の銀河系全体よりも明るく輝きます。

天文学者は宇宙の最初の10億年間にクエーサーの輝きを見つけることができるので、これらの天体はより明るく、より透過性の高い標準光源として役立つのでしょうか?

天文学者の中には、ある重要な特性のおかげでそれが可能だと考えている人もいる。クエーサーは紫外線を放出し、その紫外線の一部が周囲の熱い電子の雲に衝突して、より高エネルギーのX線を放出するのだ。紫外線は予測可能な方法でX線を放出するため、銀河がどれだけ遠く離れていても、クエーサーのX線の明るさは紫外線の明るさと固定的に結びついている。紫外線とX線の放出をクエーサー全体の明るさや暗さと比較することで、天文学者はそれを宇宙のマイルマーカーとして利用できる。

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少なくとも、それが理論だ。この理論は比較的近くにある多くのクエーサーに当てはまるようだが、これらの天体が紫外線やX線を放射する仕組みについては、多くの詳細が未だに不明だ。研究者の中には、初期宇宙のクエーサーが現在と同じように振舞っていたかどうか疑問視する者もいる。

それを解明するために、イタリアの天文学者チームは過去の観測結果を徹底的に調べ、さらに過去にさかのぼって調べた。彼らはスローン・デジタル・スカイ・サーベイのデータを使って紫外線で輝くクエーサーを見つけ、チャンドラX線観測衛星のデータを使ってX線で輝くクエーサーを見つけ、2つのグループを比較した。その結果、2つの放射の関係はビッグバンの約13億年後までずっと維持されていることがわかった。言い換えれば、クエーサーは宇宙の歴史を通じて、良質の標準光源として安定して燃え続けていたということだ。

「これは、距離を測定するためにこの方法を使用できるようにするために、また、時間の経過とともに変化するツールを使用していないことを確認するために必要なチェックでした」とビゾーニ氏は言います。

同研究グループは研究のプレプリントを発表し、9月7日に『 Astronomy & Astrophysics 』誌に受理された。

古代史を初めて見る

天文学者たちは、古代のクエーサーが、理論家たちの宇宙に関する説明に大幅な修正が必要であることをすでに示唆していると考えている。2019年に最古のクエーサーまでの距離を計算した際、その結果は宇宙論の主流である「標準モデル」と衝突した。そのひとつの画期的な解釈は、ダークエネルギーが時間とともに変化したというものだった。「私たちはそれが現実だと考えています」と、ハーバード大学とスミソニアン博物館が共同運営する天体物理学センターに勤務するクエーサーチームの天体物理学者フランチェスカ・シヴァーノは言う。「その違いはかなり大きいのです」

しかし、大胆な主張には確固たる証拠が必要であり、宇宙学者はより説得力のある証拠を必要としている。デューク大学の宇宙学者で、1a型超新星を使って宇宙の膨張を正確に測定しており、クエーサー研究には関わっていないダン・スコルニック氏は、このグループを「クエーサーの物理を理解する上でトップクラスのチームの一つ」と称賛し、クエーサーの標準光源としての可能性をテストするために「正しいステップを踏んでいる」と述べた。

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しかし彼は、現在のクエーサー観測が超新星の座を奪うほど成熟しているとは考えていない。超新星の位置は、天文学者がクエーサーの位置より5倍も正確に特定できるからだ。イタリアの天文学者らの最新の研究では、統計的検定に簡単に合格できるほど大量のクエーサーを分析することで、この欠点を克服している。しかしスコルニック氏は、たとえば比較的ノイズの多いデータの中にさまざまな種類のクエーサーが隠れている可能性があると懸念している。

「私が少し不安に思うのは、個々の測定値がそれほど正確ではない場合、そのデータにどのような体系的な不確実性が潜んでいるのか疑問に思わざるを得ないということです」と彼は言う。

状況は今後数年でより明らかになるだろう。最近打ち上げられた eROSITA と呼ばれる X 線宇宙望遠鏡は、数百万個の近傍クエーサーを発見すると予想されており、よりよく理解されている局所宇宙における標準光源としての有用性を立証できる可能性がある。また、追加の調査により、隠された古代の宇宙にある天体がさらに発見される可能性が高い。

「宇宙学者は、宇宙論的測定のためにクエーサーを真剣に受け止める必要があります」とシバノ氏は言う。「クエーサーは非常に優れたリソースです。」