初期宇宙の超大質量ブラックホール、星の衝突で説明できる可能性
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が観測した謎の天体現象に、新たな説明が提示された。ビッグバンから400～500万年後という極めて早い時期に、すでに超大質量ブラックホール（SMBH）が存在していたという観測結果である。従来の理論では、これほど短期間での形成は説明できない。UCLA物理天文学部の博士課程学生であるクレア・ウィリアムズ率いる研究チームが、『The Astrophysical Journal』に発表した論文は、初期宇宙における密集した恒星環境での衝突メカニズムがこの謎を解く鍵になると主張している。
密集した星団での連続的な衝突が巨大星を形成
ウィリアムズ氏らの研究は「A Cosmological Framework for Stellar Collisions at High Redshift in Proto-globular Clusters, Nuclear Star Clusters, and Little Red Dots」という題目で発表された。チームは初期宇宙が数多くのコンパクトで高密度の恒星系を保有していたことを指摘している。こうした環境では星同士の接近遭遇と物理的衝突が一般的だったと考えられる。
研究では、AREPO宇宙論シミュレーションの初期条件を用いて、初期星団のパラメータを設定した。シミュレーションには各テストケースごとに1000個の星を設定し、中心から1パーセク（pc）以内に配置した。これは銀河系の中央にある超大質量ブラックホール「いて座A*」（Sgr A*）周辺の星の数より少ない。推定によると、いて座A*の周辺には6000個を超える星が存在しているとされる。
シミュレーション結果は衝撃的であった。星が繰り返し衝突を重ねることで、やがてクラスター全体に相当する質量を持つ巨大な星が形成されうることが示されたのである。ウィリアムズ氏は「おそらく私たちのシミュレーションの最も奇異な結果が、この点です。星がクラスター内で何度も合体し、最終的には質量が一個のクラスター全体に等しい巨大星を形成する可能性があります」とコメントしている。
巨大星から中質量ブラックホール、そして超大質量ブラックホールへ
太陽質量の100倍を超える非常に巨大な星（Very Massive Stars：VMS）は、その生涯を終えるとき、自らの質量に圧倒され、質量ブラックホールへと崩壊する可能性がある。研究チームは、このプロセスを通じて初期宇宙で超大質量ブラックホールが比較的早期に形成されたと提唱している。
ウィリアムズ氏は銀河中心における星の衝突の実例に触れながら「このモデルでは、非常に巨大な星が中質量ブラックホールに転換すると、システムは私たちの銀河中心に類似した構成になります。つまり、密集した星団に囲まれたブラックホールという状態です」と述べている。
論文はさらに、JWSTが観測した謎めいた天体「リトル・レッド・ドット」とこの衝突メカニズムの関連性を指摘している。リトル・レッド・ドットは豊富なガスに囲まれたコンパクトなブラックホールとみられ、そのブラックホールは急速にガスを吸い込み成長しているとされる。初期宇宙での衝突が生み出した環境が、これらの現象と深く結びついている可能性が浮上したわけである。
恒星衝突が初期の超大質量ブラックホール形成に関与するという考えは、JWST以前から物理学者に検討されてきた。しかし今回の研究は、その概念を大幅に進展させ、JWSTの観測現象全体をより包括的に説明する枠組みを提示しているのである。
出典: Universe Today
