初期宇宙の巨大ブラックホールは成長が止まりがち

【2024年3月15日 東京大学大学院理学系研究科・理学部】

現在の宇宙では、銀河の中心に存在する「超大質量ブラックホール（Supermassive Black Hole、以下SMBH）」とその母銀河の間に、「銀河の質量が重いほどSMBHの質量も重い」という、ほぼ正比例の関係（マゴリアン関係）がある。これは、SMBHと母銀河が互いに影響しあって「共進化」した結果だと考えられているが、具体的にどんなしくみでこうした関係ができたのかは大きな謎だ。

超大質量ブラックホール（SMBH）の成長を示したイラスト。SMBHは周囲の物質を飲み込む際に「降着円盤」を作り、ここからX線などが放射される。さかんに物質を取り込んで成長するSMBHはX線を強く出し、クエーサーなどの活動銀河核として観測される。SMBHの成長率が小さい普通の銀河では、X線はあまり放射されない。画像クリックで表示拡大（提供：東京大学プレスリリース、以下同）

もし過去の宇宙でもこの正比例の関係が見られるなら、銀河とSMBHは長い時代にわたって同じペースで質量を増やしてきたことになる。一方、もし過去の宇宙で正比例の関係が崩れているなら、両者はかなり複雑な進化を経てきたのかもしれない。ここで過去の様子を調べるうえで問題となるのが、過去（＝遠方）の宇宙の銀河にあるSMBHは、「クエーサー」のようにきわめて明るい例外を除くとまず地球からは見えないことだ。このため、過去のSMBHの質量を見積もる方法はほぼないのが実情である。

東京大学の松井思引さんを中心とする研究チームは、銀河とSMBHの質量を求める代わりに、両者の質量の「時間変化率」を観測から見積もることを考えた。

マゴリアン関係でSMBHの質量に正比例している「銀河の質量」とは、正確には「銀河を形づくる『楕円体成分』の質量」のことである。渦巻銀河の場合は円盤部分を除いた「バルジ」の質量、楕円銀河の場合には銀河全体の質量がこれに当たる。楕円体の部分にはガスはほとんどなく、恒星たちがその質量を担っている。

そこで松井さんたちは、銀河質量の時間変化率とほぼ同じ意味を持つ値として、銀河の「星形成率」（1年間に生まれる新たな星の総質量）を使うことにした。銀河の星形成率は、紫外線や赤外線で銀河を観測すれば容易に求められる。

一方、SMBH質量の時間変化率は、その銀河をX線で見たときの明るさから推定できる。SMBHに引き寄せられた物質は高温の降着円盤を作り、X線を放射するため、急速に物質を取り込んで急成長するSMBHほど強いX線を出すのだ。

（左）現在の宇宙での様々な銀河の質量（赤：渦巻銀河のバルジの質量、黒：楕円銀河の質量）と、その中心にあるSMBHの質量を描いたグラフ。重い銀河ほどSMBHも重いという比例関係（マゴリアン関係）が見られる。（右）銀河とSMBHの質量の時間変化率を描いた概念図。過去の銀河とSMBHの質量増加率をプロットしたとき、中央の右上がりの直線上に集まれば過去の宇宙でも双方は比例関係にあったことになる。左上に集まる場合はSMBHの成長の方が銀河より早く、右下に集まる場合は銀河の成長の方がSMBHより早い。画像クリックで表示拡大

ただし、100億光年を超えるような遠方になると、クエーサーなどでない「普通の銀河」のSMBHが出すX線は非常に弱く、観測できない。そのため、松井さんたちは「X線スタッキング」という手法を使った。これは、ほぼ同じ距離にあるたくさんの銀河のX線画像を重ね合わせて、銀河たちの「平均的な」X線像を作り出すものだ。こうすることで画像のノイズが減り、淡いX線の像が浮かび上がってくる。

松井さんたちは「チャンドラX線天文台」のサーベイ観測データを使い、赤方偏移zがおよそ4から7（122億～130億年前）の時代にある約1万2000個の銀河について、zや見かけの明るさごとに銀河をグループ分けしてX線画像を重ね合わせ、平均的なX線像を求めた。

解析の結果、いずれのグループでも予想以上にX線は弱く、合成後の画像からX線成分を検出することはできなかった。この結果から、SMBHの質量増加率の「上限値」を求めて銀河の星形成率と比べたところ、どの時代・明るさについても、SMBHの質量増加率は「正比例の関係」が成り立つのに必要な値の1割以下しかないことがわかった。

今回の解析方法の説明図。（左）122億年前の一般的な銀河を撮影したX線画像の例。各画像の中央に銀河がいるはずだが、一般の銀河はX線ではほとんど写らない。（右上）これらの画像を見かけの明るさごとにグループ化し、多数の銀河のX線画像を重ねる「X線スタッキング」でS/N比を向上させる。（右下）右上の合成後の画像から求めたSMBHの質量増加率の上限値をグラフにプロットしたもの。いずれのグループもX線は検出されず、SMBHの質量増加率の上限値は、比例関係を示す直線の1割以下にとどまった。画像クリックで表示拡大

つまり、122億～130億年前の宇宙では、銀河とSMBHは同じペースでは全く成長しておらず、銀河の方はさかんに星を生み出して成長しているのに、SMBHの方はほとんど成長が止まっていたようなのだ。

言い換えれば、現在の銀河とSMBHにマゴリアン関係が存在するためには、過去のあるタイミングで銀河がSMBHを急成長させる時期がなければならない。この結果は、銀河とSMBHの単純な共進化モデルに修正を迫るものだ。