細川隆史 理学研究科准教授、平野信吾 日本学術振興会海外特別研究員（テキサス大学オースティン校）、吉田直紀 東京大学教授らの研究グループは、「アテルイ」をはじめとするスーパーコンピューターを用いたシミュレーションを行い、ビッグバン後の超音速ガス流から太陽の34,000倍もの重さをもつ巨大ブラックホールが誕生することを明らかにしました。この巨大ブラックホールが成長することで、これまでの観測で見つかった最遠方の宇宙に存在する超大質量ブラックホール（モンスターブラックホール）の起源と成長を説明することができます。
本研究成果は、2017年9月29日午前3時に米国の科学誌 「Science」 オンライン版に公開されました。
研究者からのコメント
今回、宇宙初期のガスの超音速運動まで厳密に再現した初期宇宙進化のスーパーコンピューターシミュレーションを行うことで、超大質量ブラックホールのもととなる巨大ブラックホール誕生の過程を明らかにし、超大質量ブラックホールの出現をその観測数も含めて説明できることを確かめました。将来の遠方宇宙観測により、さらに初期のブラックホールを発見することで、ブラックホール成長の様子が実際の観測から示されると期待されます。
本研究成果のポイント
- 巨大ブラックホールが誕生する新たな道筋をスーパーコンピューターシミュレーションにより明らかにした。
- ビッグバンが残した超音速ガス流から急速に成長する星が生まれ、最終的に太陽の34,000倍もの質量をもつ巨大ブラックホールへと進化することを示した。
- 本研究成果により、最近の観測で見つかった、最遠方の超大質量ブラックホールの起源を説明することができる。
概要
近年、遠方の宇宙探査により、宇宙年齢が数億年という早期に存在した超大質量ブラックホールが次々と発見されています。太陽の数十億倍もの超大質量ゆえにモンスターブラックホールと呼ばれますが、そのような早期にどのようにして誕生したのかは天文学上の大きな謎でした。その起源についてはいくつもの仮説が提案され、例えば宇宙で最初に誕生した第一世代の星、ファーストスターがその一生の最期に遺すブラックホールが成長するという説や、あるいは宇宙初期に巨大ガス雲が一気に収縮して形成されるとする説が有力と考えられてきました。しかしどの説も太陽質量の数十億倍にもなる超大質量ブラックホールの早期形成を自然に説明することはできず、さらにいくつかの物理機構の仮定が必要でした。
本研究グループは、ビッグバン後に残された超音速ガス流に着目し、スーパーコンピューターシミュレーションを用いてガスと宇宙を満たすダークマター（暗黒物質）の運動を追い、さらには乱流ガス雲から原始星が誕生して急速に成長する様子を再現しました。太陽の数万倍もの質量をもつ乱流ガス雲の中では、誕生した原始星へ向けて高速のガスが流れ込み続け、最終的にはガス雲全体が中心星に取り込まれ、巨大なブラックホールへと変貌します。
このように、乱流ガス雲の中で成長し太陽の34,000倍もの質量をもつようになった巨大星は、その一生の最期に同質量の巨大ブラックホールを遺します。本研究グループは新たに、ダークハロー（主にダークマターからなる密度の高い領域）の形成時期や超音速ガス流の速度分布を理論的に求め、超大質量ブラックホールのもととなる巨大ブラックホールが宇宙に現れる確率を見積もりました。その結果、これまでに発見された超大質量ブラックホールの観測数と一致することがわかりました。
図：シミュレーションより得られたブラックホール形成時のダークマター分布（背景）とガス分布（内側下3パネル）
ダークマターが集積した巨大な「ダークハロー」が形成されるが、宇宙初期のガス流速度（図では右方向）が大きな領域では高速のガスを捉えきれず、抜け出てしまう。最終的にブラックホールを生み出すガス雲も乱れた形状を保ちながら収縮する。（図提供：平野信吾）
詳しい研究内容について
関連リンク
書誌情報
【DOI】 https://doi.org/10.1126/science.aai9119
【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/227401
Shingo Hirano, Takashi Hosokawa, Naoki Yoshida, Rolf Kuiper(2017). Supersonic gas streams enhance the formation of massive black holes in the early universe. Science, 357(6358), 1375-1378.
- 日刊工業新聞（9月29日 31面）および科学新聞（10月6日 4面）に掲載されました。
