「宇宙の夜明け」に合体する双子の巨大ブラックホールを発見

2024年6月18日
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU, WPI）
 

東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU, WPI）の尾上 匡房 (おのうえ まさふさ) 特任研究員とJohn Silverman (ジョン シルバーマン) 教授が参加する愛媛大学、国立天文台などの研究者からなる研究チームが、すばる望遠鏡とジェミニ北望遠鏡 (Gemini North telescope) の観測により、合体中の2つの巨大ブラックホール（クェーサー）を発見しました。このクェーサーのペアは、これまでに知られている中で最も遠方にあるだけでなく、「宇宙の夜明け」と呼ばれる時代でその存在が初めて確認された合体中の巨大ブラックホールです。

宇宙で最初の星や銀河が輝きだした頃、それらの星々などからの紫外光が宇宙に広がり、「宇宙再電離」と呼ばれる宇宙空間のプラズマ化が進行しました。天体の存在しない暗黒時代に終わりを告げる宇宙の夜明けで、現在の宇宙で見られる銀河や銀河団の大規模構造の形成につながる重要な時期です。その時代に、銀河とその中心にある巨大ブラックホールはどのように進化したのか、そして、それは再電離の進行にどう影響したのか？天文学におけるこの大きな謎を解き明かすため、すばる望遠鏡の超広視野カメラによる大規模な撮像探査（HSC-SSP）によって、超遠方宇宙でのクェーサー探しが行われました（注1）。クェーサーとは、銀河の中心にある巨大ブラックホールが周囲の物質を飲み込む過程で明るく輝いている天体です。その結果、これまでに約200個の超遠方クェーサーが発見されましたが、HSC-SSP以外の発見を含めても、これまでにペアになっているものは見つかっていませんでした。
 

しかし、研究チームが、HSC-SSP の画像を目視で見直していたとき、思いもよらない発見に出くわしました。「クエーサー候補の画像をスクリーニングしているとき、とても赤く、似通っている2つの天体が隣り合っているのに気付きました」と、本研究を主導した愛媛大学宇宙進化研究センターの松岡良樹 (まつおか よしき) 准教授は語ります。「この発見は全くの偶然でした。極めて珍しいペアなので、HSC-SSPほどの深さと広さを兼ね備えたデータだからこそ写っていたといえます」
 

このペアが本当にクェーサーかどうかを確認するため、研究チームは、すばる望遠鏡の分光器 （FOCAS）と、ジェミニ北望遠鏡の赤外線分光器（GNIRS）で追観測を行いました。FOCASで検出したライマンα輝線から、2つの天体が129億光年先にあるクェーサーであることが判明しました。また、２つの巨大ブラックホールがほとんど同じ質量をもつ「双子」であることも明らかになりました。さらに、2つのクェーサーをつなぐガスの構造も検出されたことにより、両者の合体が起こっていると研究チームは推測しています。
 

「宇宙の夜明けに合体中のクェーサーが存在することは長い間予想されながら、見つかってきませんでした。それが今回初めて確認されました。またアルマ望遠鏡による追観測から、周囲のガスが非常に興味深い構造をしていることも明らかになっています。衝突と合体を繰り返しながら成長する銀河の中で、巨大ブラックホールがどのように進化するのかを知るための重要な発見です」と松岡准教授は語ります。
 

本研究成果は、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レター』に2024年4月5日付で掲載されました。

詳細については国立天文台ハワイ観測所の記事をご覧下さい。

（注1）HSC-SSPによるクェーサー探査の初期成果として、2019年3月13日 国立天文台ハワイ観測所の記事「超遠方宇宙に大量の巨大ブラックホールを発見」を参照

・発表雑誌
雑誌名：Astrophysical Journal Letters 
論文タイトル：Discovery of Merging Twin Quasars at z=6.05
著者：Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Masafusa Onoue, Michael A. Strauss, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kashikawa, Masayuki Akiyama, Kentaro Aoki, Junya Arita, Masatoshi Imanishi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Kotaro Kohno, Chien-Hsiu Lee, Tohru Nagao, John D. Silverman, Yoshiki Toba

DOI: 10.3847/2041-8213/ad35c7　(2024年4月5日掲載)
論文のアブストラクト （Astrophysical Journal Letters のページ）

（関連リンク）
「宇宙の夜明け」に合体する双子の巨大ブラックホールを発見 (2024年6月17日 ハワイ観測所 トピックス)
「宇宙の夜明け」に合体する双子の巨大ブラックホールを発見 (2024年6月18日 愛媛大学の記事)
「宇宙の夜明け」に合体する双子の巨大ブラックホールを発見 (2024年6月18日 東京大学大学院理学系研究科の記事)

International Gemini Observatory and Subaru Combine Forces to Discover First Ever Pair of Merging Quasars at Cosmic Dawn (2024年6月17日 NOIRLabプレスリリース）