母銀河に比べて異例に重いブラックホール8例、eROSITA観測で判明

マックス・プランク地球外物理学研究所（MPE）などの研究チームは、母銀河の恒星質量に対して異例に重い超大質量ブラックホールを持つクエーサー8例を特定した。ブラックホールの質量は母銀河の恒星質量の5％を超え、近傍の静穏銀河で知られる代表的な関係の約10倍に達する。研究成果は学術誌「Astronomy & Astrophysics」に掲載された。

8例は赤方偏移0.3～0.8に位置し、宇宙に銀河や星形成の活動が活発だった「宇宙の正午」と呼ばれる時代を観測したものとなる。宇宙誕生から間もない時代に限らず、より成熟した銀河でもブラックホールの成長が恒星集団の成長を大きく上回る場合があることを示している。

■硬X線で選んだ活動銀河核を分析

研究チームは、ロシアとドイツの共同宇宙観測ミッションSpektr-RGに搭載されたX線望遠鏡eROSITAの観測データを使用した。対象となったeROSITA Final Equatorial-Depth Survey（eFEDS）は、約140平方度を観測した領域である。

研究ではまず、2.3～5keVの硬X線帯で検出された246個の点状X線源から恒星を除き、200個の活動銀河核を母集団とした。硬X線で明るい活動銀河核は、周囲の物質を活発に取り込んで成長しているブラックホールを見つける手掛かりになる。研究チームは、より低いエネルギー帯で検出されたeFEDSの天体も補足的に分析し、合計8例の過大質量ブラックホールを特定した。

このうち硬X線で選んだ標本では、3例についてブラックホール質量と母銀河の恒星質量の比率が5％を超えることを、測定の不確実性を考慮しても確認した。研究チームは、ブラックホール質量が恒星質量の5％を超える系を「過大質量ブラックホール」と定義している。

■ブラックホールと母銀河の光を分けて推定

活動中のブラックホールは周囲の降着円盤などから強い放射を生じるため、その光が母銀河の恒星光を覆い隠しやすい。母銀河が実際より明るく、恒星質量が大きいように推定される可能性もあり、活動銀河核と母銀河の光を正確に分離することが重要になる。

研究チームは、スローン・デジタル・スカイサーベイ（SDSS）の可視光スペクトルに加え、紫外線から赤外線までの測光データを組み合わせた。母銀河の恒星質量は、活動銀河核と恒星集団の放射を分離するベイズ統計に基づくスペクトルエネルギー分布解析によって推定した。

ブラックホール質量の推定には、主に水素のHβ広輝線を利用した。ブラックホールの近くを運動するガスが発する輝線の幅と、波長5100オングストロームにおける光度を組み合わせ、単一時刻のスペクトルから質量を求める手法である。

この方法によるブラックホール質量には、広輝線領域の形状や向きなどに由来する約0.45dex、すなわちおおむね3倍程度の系統的不確実性がある。研究チームはこの不確実性に加え、明るい活動銀河核ほど選ばれやすい観測上の偏りもシミュレーションに取り入れ、推定された極端な質量比が測定誤差だけで生じたものかを検討した。

その結果、8例すべてが本質的に5％を超えていると断定できるわけではないものの、少なくとも半数は本来のブラックホール質量が母銀河の恒星質量の2％を超えていると推定された。これは近傍の静穏銀河における代表的な比率の約4倍に相当する。

■母銀河とは異なるペースで成長

一般にブラックホール質量と銀河の恒星質量の間には相関があり、両者が長い宇宙史の中で互いに関係しながら成長してきたと考えられている。一方、ガスの流入や星形成、ブラックホールへの降着は常に同じペースで進むわけではない。

今回の8例は、ブラックホールへの活発な降着が続く一方、母銀河の恒星質量が相対的に小さい系である。ブラックホールの成長が一定期間、星形成や銀河の成長に先行する非同期の進化が起き得ることを示す観測例となる。

研究チームは、硬X線で選んだ標本の中に過大質量ブラックホールが高い割合で見つかったことから、この種の天体の空間密度を少なくとも1立方ギガパーセク当たり4個と推定した。活動銀河核を使った従来の調査から得られた下限値としては高く、少数の例外的な天体だけでは説明しにくい集団が存在する可能性を示している。

■約10億年にわたる降着が候補

研究チームは、ブラックホールへ持続的にガスが供給され、約10億年にわたって指数関数的な成長が続く過程を有力な進化経路として挙げている。現在観測されている放射はエディントン光度を下回っており、今回の系を説明するために、エディントン限界を超える降着を必ずしも仮定する必要はないという。

この見方では、ブラックホールが誕生した時点から特別に重かったと考えなくても、母銀河の恒星集団とは異なるタイミングで効率的な降着が続けば、質量比を大きく上昇させられる。ブラックホールと銀河の成長が長期的には相関していても、個々の成長段階では大きくずれる可能性がある。

研究チームが現在の宇宙論的銀河形成シミュレーションと比較したところ、今回の観測例に相当する過大質量ブラックホールは見いだせなかった。これは、恒星集団の成長から一時的に切り離されたブラックホールの降着過程が、現在の銀河進化モデルに十分取り込まれていない可能性を示している。

■初期宇宙のブラックホールを考える手掛かり

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の観測では、宇宙誕生から10億年以内の時代に、母銀河の恒星質量に比べて重いブラックホールを持つ活動銀河核が報告されている。こうした天体は、超大質量ブラックホールの種がどのように誕生したのかを探る手掛かりとして注目されてきた。

今回の8例は、それより時代が下った赤方偏移0.3～0.8の進化した銀河に存在する。過大な質量比がブラックホールの誕生方法だけを反映するのではなく、その後のガス供給と降着の履歴によっても形成され得ることを示している。

同様の非同期成長が宇宙最初の10億年にも起きていたなら、JWSTが捉えた活動銀河核の一部についても、特別に重い種ブラックホールだけでなく、その後の効率的な降着が質量比を押し上げた可能性を検討する必要がある。

■高解像度観測で母銀河を詳しく調査へ

今回のブラックホール質量は単一時刻のスペクトルから推定されており、個々の天体には無視できない不確実性が残る。また、活動銀河核の強い光の中から母銀河の恒星光を取り出すことにも難しさがある。

一部の天体については、すばる望遠鏡のHyper Suprime-Camによる高解像度画像から、広がりを持つ母銀河の光が示されている。一方、点状に見える天体もあり、母銀河の構造や星形成の状態を詳しく確認するには、追加観測が必要となる。

今後、複数時期のスペクトルを用いる反響マッピングなどによってブラックホール質量の精度を高め、母銀河の高解像度撮像を進めることで、ブラックホールだけが先行して成長する期間がどの程度続くのか、またその後に銀河が質量差を縮めるのかを検証できると期待される。

元記事: Eight Black Holes Have Outgrown Their Galaxies, and No Simulation Can Explain Them