NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が、ビッグバンからわずか6億6,000万年後の初期宇宙に、これまでにない全く新しいタイプの天体を発見した。見かけは太陽系ほどの大きさに広がった巨大な恒星のように輝くが、そのエネルギー放出量は既知の恒星の限界をはるかに超え、ブラックホールに匹敵する。マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームは、この天体を「ブラックホール星」と名付け、その正体が恒星のように見える濃密なガスの繭に包まれたブラックホールである可能性を発表した。
この発見は、初期宇宙に存在する超大質量ブラックホールの急成長という長年の謎に光を当てるものとして、世界中の天文学者の注目を集めている。太陽の10億倍もの質量を持つブラックホールが、宇宙誕生からわずか7億年程度でどのようにして形成されたのか。今回の「ブラックホール星」は、その過程を解明する鍵を握る存在と言える。
「Mirage or Miracle」プログラムが捉えた赤い異常
MITの研究チームが率いる観測プログラム「Mirage or Miracle（MoM）」は、当初、初期宇宙で最も遠方にある銀河の特定を目的としていた。宇宙年齢が数億年の時代に、極めて明るい銀河が数多く存在するという観測事実の検証が目的だった。その過程で、JWSTの画像の中に、ひときわ明るく輝く赤い天体が偶然にも写り込んでいたのだ。
この天体のスペクトルを詳細に分析したところ、極めて特異な性質が明らかになった。一般的に、天体が赤く見える原因は周囲の塵による光の散乱と考えられる。しかし、この天体の光には塵が存在することを示す特徴が全く見られなかった。代わりに研究者たちが確認したのは、特定の波長を境に光が急激に消失する「バルマーブレイク（バルマー不連続）」と呼ばれる現象だった。これは通常、誕生から数億年が経過した恒星の大気中で、濃密な水素ガスが特定の波長の光を吸収することで発生する。夜空で最も明るい恒星のひとつであるベガも、同様のパターンを示すことで知られている。
しかし、今回観測されたバルマーブレイクは、その深さ（明暗の落差）が既知のどの天体よりも圧倒的に大きかった。この結果から、光源が通常の恒星である可能性は完全に否定された。さらに、この光からは水素とヘリウム以外の元素、つまり天文学で「金属」と呼ばれる重元素の痕跡がほとんど検出されなかったという。
「ブラックホール星」の正体：濃密な水素の繭に包まれたブラックホール
研究チームは、これらの観測データを説明するため、複数の天体物理学的シナリオをコンピューターシミュレーションで検証した。その結果、周囲に塵が一切なくとも、極めて濃密な水素の層が存在すれば、巨大な恒星の表面のように見える赤い天体が再現できることが判明した。
このシミュレーション結果を基に導き出された最も有力なモデルが、恒星のように見える濃密なガスの繭の中心にブラックホールが潜む、という前例のない構造だった。研究チームはこの天体を、その特徴を象徴する名称として「ブラックホール星」と呼んでいる。
「この天体の中心にはブラックホールがあり、その周囲には恒星のように見える、太陽系ほどの大きさに広がったガスの層が存在するとみられます」と、論文の筆頭著者でMITカブリ天体物理学・宇宙研究所（MKI）のロハン・ナイドゥ氏は説明する。
MKI所長のロバート・シムコー氏も、「塵がまったくなくても、水素だけであれほど赤いものをつくれるだろうか──。そう問うところから始めました。驚いたことに、それは可能だったのです。非常に濃密な水素の層があれば、かすかな星間星雲ではなく巨大な恒星の表面のように見えるのです」と述べている。
「ブラックホール星」とは？— 宇宙の謎を解く鍵
「ブラックホール星」とは、見かけは恒星のように見えるものの、中心に巨大なブラックホールを持ち、その周囲を恒星並みの大きさに広がった超高密度のガスが覆う、全く新しいタイプの天体である。そのエネルギー源は通常の核融合ではなく、中心のブラックホールへの物質の降着過程で生み出される莫大な重力エネルギーだと考えられている。この天体は、宇宙誕生後わずか数億年で超大質量ブラックホールがどのようにして形成されたのか、その過程を直接観測できる可能性を秘めている。
なぜ今、注目すべきなのか—初期宇宙の超大質量ブラックホール問題
天文学の最大の謎のひとつが、「初期宇宙における超大質量ブラックホールの急速な成長」である。大きな銀河の中心には太陽の数百万倍から数十億倍の質量を持つ超大質量ブラックホールが存在するが、宇宙誕生からわずか7億年ほどの時代にも、すでに太陽の10億倍規模のブラックホールが見つかっている。従来の理論では、この短期間でそこまで巨大化するプロセスを説明するのが極めて困難だった。
今回発見された「ブラックホール星」は、この謎を解く重要な手がかりとなる。もし、恒星サイズのガス雲が直接ブラックホールを取り巻く構造が存在するならば、ブラックホールは周囲のガスを極めて効率的に飲み込み、短期間で急成長できる。この天体は、超大質量ブラックホールの「種」が急成長する過渡期の姿を捉えたものである可能性が高い。
今後の展望—JWSTによる更なる観測へ
「ブラックホール星」の発見は、JWSTの性能があってこそ実現した。これまで観測できなかった初期宇宙の極めて遠方の天体を、JWSTの高い感度と赤外線観測能力が捉えた結果である。研究チームは今後、この天体の詳細なスペクトル観測を継続し、その構造をさらに詳しく解明する計画だ。
「ブラックホール星」のような新種の天体が初期宇宙でどの程度一般的に存在するのか、また、これが超大質量ブラックホールの形成過程の標準的なルートなのか、それとも極めて特殊な例なのか。今後の観測が待たれる。
今回の成果は、宇宙の理解を根本から覆す可能性を秘めている。宇宙の夜明けと呼ばれる初期宇宙において、どのようにして銀河やブラックホールが姿を現したのか。その壮大なシナリオの全貌に、JWSTが一歩ずつ迫っている。
