運用開始以来、James Webb Space Telescope (JWST) は、通称 "Little Red Dots" (LRDs) と呼ばれる、謎めいたコンパクトで極端に赤い天体の画像を捉えることで、初期宇宙に対する私たちの理解を根本から変えてきました。長年、天文学者たちは、これらの高赤方偏移（$z \sim 2$ から $z \sim 9$ の間で発見された）の光源が、極小で超高密度の銀河なのか、それとも塵に隠された活動銀河核（AGN）なのかを議論してきました。Gabriel Brammer、Priyamvada Natarajan、Sandro Tacchella らの研究者による画期的な新しい研究は、第3の、よりエキゾチックな可能性を提案しています。それは、これらの天体がブラックホール星（BH*）であるという説です。これは、成長中のブラックホールが、ホスト銀河を完全に凌駕するほど明るく輝く、巨大で高密度のガスの外層に包まれている過渡的なフェーズを指します。
JWSTは初期宇宙で何を発見したのか？
James Webb Space Telescope (JWST) は、「Little Red Dots」として知られる、静止系の光学波長で著しく赤く見える高赤方偏移のコンパクトな天体群を発見しました。 ビッグバンからわずか数億年後まで遡るこれらの光源は、既存の銀河形成やブラックホール成長のモデルに疑問を投げかけるほどの極端な光度とコンパクトな構造を示しています。
これらの天体の発見は、そのスペクトル特性が既知の天体と完全には一致しなかったため、予想外のものでした。当初、この赤さの原因が、静穏銀河における古い恒星集団によるものなのか、あるいは中心のブラックホールを取り囲む厚い塵による遮蔽によるものなのかについて議論が集中しました。研究チームは、98個のLRDのサンプルから得られた高品質な NIRSpec/PRISM スペクトルを利用して、これらの "Little Red Dots" をより深く調査し、その強烈なエネルギー出力を駆動している特定のメカニズムの特定を試みました。
これらの天体の真の姿を突き止めるために、研究者たちは中心エンジンを周囲のホスト銀河から分離する新しい手法を開発しました。彼らは、[OIII] 5008Å 輝線が、コンパクトな核ではなく、ホスト銀河の星間物質のみから発生するという仮定に基づき解析を行いました。この輝線に基づいてホスト銀河の寄与を差し引くことで、チームはLRDの「核」となる本来の分光エネルギー分布（SED）を明らかにし、ブラックホール星であるという集団レベルでの最初の証拠を提示しました。
Little Red Dotsの正体は本当にブラックホール星なのか？
証拠は、多くの Little Red Dots が実際にブラックホール星によって駆動されていることを示唆しています。これは、厚く不透明なガスの外層に包まれた中心の特異点です。 ホスト銀河の光を差し引いた後、残った核は約4,050 Kの温度を持つ黒体放射に近いSEDに似ており、従来の銀河よりもガスの外層としての特徴と極めて高い一致を示しました。
しばしばクエーサースターとも呼ばれる「ブラックホール星」モデルは、巨大な静水圧平衡状態にある外層の中で、ブラックホールが加速的に成長する独特の物質の状態を記述しています。この研究では、ホスト銀河を差し引いたLRDのメディアンスタック（中央値合成スペクトル）において、大規模な静穏銀河で見られるものの2倍以上の強さのバルマー不連続が示されていることが判明しました。この特有の特徴は、古い恒星からの光ではなく、高密度なガスの外層であることを示す「決定的な兆候」であり、観測された光の主要な駆動源がブラックホールであることを指し示しています。
Brammer、Natarajan、Tacchella らの知見によれば、これらのブラックホール星は驚異的な光度を持ち、ボロメトリック光度は $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43.9$ erg s$^{-1}$、有効半径は約 1,300 au に達します。研究によれば、典型的なLRDにおいて、ブラックホール星は以下の割合を占めています：
- 紫外線（UV）放射の約20%。
- バルマー不連続付近の光の約50%。
- H$\alpha$ より長い波長における光のほぼ90%。
ガス外層の中でブラックホールはどのように成長するのか？
ブラックホールは、標準的なエディントン限界を超える速度で質量を集積し、周囲のガスがその結果生じる放射を閉じ込めることによって、ガスの外層の内部で成長します。 これにより、内向きの重力とブラックホールのエネルギーによる外向きの圧力が均衡する、高密度で加圧された繭のような構造が形成され、安定しながらも過渡的な「恒星のような」構造が維持されます。
分光データは、急峻なバルマー減衰（$H\alpha/H\beta > 10$）の観測を通じて、この「包囲された」成長モデルを裏付けています。このような高い比率は、塵とガスが内部から脱出する光を著しく赤化させている、高度に遮蔽された高密度な環境を示唆しています。さらに、チームは FeII、HeI、OI などの輝線を含む、多くの密度感受性のある特徴を検出しました。これらは標準的な銀河では滅多に見られませんが、強力なエネルギー源を取り囲む高密度ガス雲に特徴的なものです。
この研究は、これらのブラックホール星が、最近激しいスターバーストを起こした低質量銀河（$M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$）に優先的に存在していると仮定しています。1100Åでの [OIII] 5008Å や 12Åでの CIII] といった極端な輝線等価幅の存在は、急速な星形成と、これらの巨大なブラックホールの種（シード）の誕生との間に強い結びつきがあることを示唆しています。この環境は、ブラックホールの初期の拡大期に外層を維持するために必要なガスの貯蔵庫を提供します。
初期の超大質量ブラックホール成長への影響
ブラックホール星フェーズの発見は、宇宙で最初の超大質量ブラックホールがいかにしてこれほど速く形成されたかについて、深い示唆を与えています。標準的な降着モデルでは、宇宙の歴史の最初の10億年以内に、ブラックホールがどのようにして太陽質量の数十億倍に達したかを説明するのにしばしば苦慮します。しかし、ブラックホール星のメカニズムは、天体が遮蔽されたまま、外層が最終的に散逸するまで視界から隠れた状態で、急速な「超エディントン」成長を可能にします。
研究者たちは、これらの天体のデューティサイクル（活動期間の割合）が約1%と比較的短く、その寿命はおよそ1,000万年であると推定しています。この短期間の現象であるにもかかわらず、データはブラックホール星が初期宇宙において非常に一般的であり、今日見られるほぼすべての巨大なブラックホールが、かつてはこの "Little Red Dots" フェーズを通過した可能性があることを示唆しています。これは、LRDが進化的行き止まりではなく、ブラックホールにとって普遍的な「急成長期」であることを示しています。
今後、James Webb Space Telescope による将来の観測は、「青い広輝線AGN（blue broad-line AGN）」に焦点を当てる可能性が高いでしょう。研究者たちは、これが高密度なガスの外層が晴れ始めた後の、ブラックホール星に続くフェーズであると考えています。ガスに包まれた「ドット」から光り輝く剥き出しのクエーサーへの移行を研究することで、天文学者たちは宇宙の夜明けから現代に至るまで、宇宙で最も巨大な住人たちの全ライフサイクルを解明したいと考えています。
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