特集ブラックホールの謎と重力波天文学

初期宇宙の巨大ブラックホールを求めて
松岡良樹 まつおか よしき

愛媛大学 宇宙進化研究センター（光赤外線天文学）

太陽質量の数 10 億倍にも達するような「巨大ブラ銀河の中心核に 1 つだけある。普段は静ックホール」は，宇宙にあまねく存在し，夜空を彩かに闇に潜んでいるが，ときどき近くを通りる星や銀河の運命を大きく変えてきたとされる。近かかった物質を吸い寄せると，周辺領域から光年行われた様々な画期的観測によって，その実在はなどの莫大なエネルギーを放出し，宿主である銀ほぼ疑いないものになったと言えるだろう。これら

河全体に大きな影響を及ぼすとされている。このの怪物の最初の種族は，ビッグバンからまもない初発光現象を遠い地球から見ると，銀河中心のみが期宇宙で生まれると考えられている。私たちは，そ異常に明るく輝く「活動銀河核」として観測されの誕生の現場を観測によって捉えることができるだる。活動銀河核の中でも特に遠く明るく，中心核ろうか？

初期宇宙における巨大ブラックホールの探査は，今どこまで進んでいるのだろうか？の光だけが針先の点のように観測されるものが「クエーサー」である（図 1）。
巨大ブラックホールのような怪物がいつ，どこ巨大ブラックホールはいかにして生まれるか？

で，どのように誕生するのかは，現代天文学が抱える最大の未解決問題の 1 つである。宇宙初代星の死や巨大物質塊の直接崩壊など，いくつかの宇宙で観測されるブラックホールは，大きく 2可能性が提案されているが，いずれも仮説の域を種族に分けられる。1 つは恒星ブラックホールと出ない。しかし少なくとも，それらの最初の種族呼ばれるもので，大型の星が超新星爆発による死を迎えた際，残骸として残される。それらは，無限に収縮し続ける星のコア（かつてコアだった部分）である。宇宙が誕生してから約 138 億年，多くの星が生まれ死んでいく中で大量の恒星ブラックホールが生成されたと考えられており，最も一般的なブラックホールと言うことができる。おおむね太陽の 10 倍前後の質量をもつとされる。
もう 1 つの種族は巨大ブラックホールと呼ばれ，太陽の 100 万〜100 億倍の質量をもつ。恒星ブラックホールが銀河の中に遍在するのとは対照的に，巨大ブラックホールはほとんどの場合，各Quest for supermassive black holes in the early Universe

Yoshiki MATSUOKA
E-mail: yk.matsuoka@cosmos.ehime-u.ac.jp
URL: https://cosmos.phys.sci.ehime-u.ac.jp/~yk.matsuoka/

図 1―クエーサーの想像図
銀河中心の巨大ブラックホールに吸い寄せられた周囲の物質が，光などの莫大なエネルギーを放つ。

初期宇宙の巨大ブラックホールを求めて

科学

0153

がビッグバンからまもない初期宇宙で生まれることは，これまでの研究から確実視されている。そのような宇宙最初の巨大ブラックホールを，私たちは観測によって捉えることができるだろうか？
その質量，数密度，周辺環境などを精密に測定することができれば，巨大ブラックホールの形成問題を解き明かす決定的な手がかりとなる。

オーストラリアでの失敗
私たちは 2000 年頃から 20 年近くにわたって，初期宇宙，すなわち遠方宇宙における巨大ブラッ

図 2―遠方クエーサーの一例（矢印の先の淡い天体）

クホールの探索を行ってきた。人類がもつ最先端まわりに多数見られる銀河系内の星々と同様，遠方クエーサーは画像上で針先の点のようにしか写らない。それらをどのようの観測技術をもってしても，これは非常に困難なに区別するかが，探査のカギを握る。

作業である。ブラックホール自体は光を放たない
こ と に 加 え，Event Horizon Telescope が 成 功 しそこで画像データの中から，極端に赤い点状天体たような影の検出や，近傍銀河で行われるブラッのみを抜き出し，遠方クエーサー候補とした。たクホール重力場での星の運動測定なども，遠方宇だしこれでは，同様の赤い色を示す低温度星など宙ではまったく不可能である。唯一の可能性としも候補に紛れ込んでしまう。そこで次に分光観測て，活発に物質を飲み込みつつある巨大ブラックを行い，候補のスペクトルを計測した。スペクト

ホールに焦点を絞り，その明るいクエーサーの光ルの形は天体種族に固有のもので，候補の中からを捉える，という方法を私たちは採用した。次の本物の遠方クエーサーを判別し，さらに赤方偏移困難は，期待される数密度の少なさである。これを測定して地球からの距離（すなわち，遠方クエーサーは，たった 1 つ見つけるだけでも広大な空を探が存在した当時の宇宙年齢）を決めることができる。

索する必要があるということを意味する。その広こうして 2000〜2010 年頃にわたって大規模な大な空には，夥しい数の銀河系の星々も存在して探査を行ったが，残念ながら，遠方クエーサーはおり，遠方クエーサーの光はそれらに紛れ込む形1 つも発見することができなかった。多くの候補になる。星も遠方クエーサーも針先の点のようにを見つけ，精力的にスペクトルを計測したが，どしか写らないので，どのようにして遠方クエーサれも低温度星などのハズレ天体であった。探査しーだけを選別するかという問題がさらなる困難をた空の面積は約 1000 平方度（満月 5000 個分）に及び，生む（図 2）。

いま最先端の研究成果をもとに見積もっても，少私たちはまず，オーストラリアのサイディンなくとも数個の遠方クエーサーが画像データに写グ・スプリング観測所を拠点に探索を始めた。約っていたはずである。しかしハズレ天体の紛れ込

10 年間にわたって 40 インチ（口径 1 m）望遠鏡の広みがあまりにも多く，結果として大量の候補の分視野カメラを使い，計 150 夜にも及ぶ観測で，光観測を行うことになり，限られた望遠鏡使用時広大な空の画像データを撮り続けた。そこに写る間の中で遠方クエーサーを見出すことができなか星々の中から，色を手がかりにして遠方クエーサった。

ーの発見を試みた。遠方クエーサーからの光は宇宙膨張に伴って強い赤方偏移を受け，さらに宇宙空間の水素による青い光の吸収効果も加わって，二度目の挑戦
こうして一度は頓挫した遠方クエーサー探査だ

地球に届く頃には極端に赤い色を示すようになる。 ったが，私たちは諦めなかった。新しいチャンス

0154

KAGAKU

Feb. 2020 Vol.90 No.2

図 3―現在までに人類が発見した最遠方クエーサー群
丸印が私たちの HSC 探査で発見されたクエーサー，バツ印は他の研究グループが発見したクエーサーである。縦軸は底 10 の対数表示であり，たとえば 12 の目盛りは太陽光度の 1012 倍を表す。

が訪れたのは，2010 年代の初めである。日本がーと様々な種類の低温度星が示す色をすべてモデ誇る世界最先端の観測施設，口径 8.2 m のすばる

ル化し，画像データに写る各天体について，遠方望遠鏡に，新開発のカメラ「Hyper Suprime-Cam

クエーサーである統計的確率を導出することにし（HSC）」が搭載されたのである。すばる望遠鏡はた。またコンピュータと人の目によって二重に画もともと主焦点を用いた広視野観測を得意として像データのチェックを行い，超新星などの突発天いたが，HSC の搭載によって，世界の追随を許体や太陽系小惑星，宇宙線シグナルなどが候補にさない圧倒的な広域探査能力を手に入れることに紛れ込むことを防いだ。これらの工夫によってハなる。そこで HSC を用いて，計 300 夜もの大規ズレ天体の数を劇的に減らし，分光観測によるス模観測プロジェクトをやろうという話が持ち上がペクトル取得の効率を大きく改善することに成功った。このプロジェクトはオールジャパンの体制した。

で，台湾と米国プリンストン大学の研究者も加わ私たちが最初の遠方クエーサーを発見したのは，って 2014 年に開始され，現在も継続中である。

忘れもしない 2015 年 9 月 14 日である。このと1000 平方度以上にわたる広大な空で，極めて良き分光観測に使ったのは，スペイン領カナリア諸好な感度・画質をもつデータが蓄積されつつある。 島に設置された大カナリア望遠鏡（口径 10.4 m）だっその中には当然，遠方クエーサーも写り込んでいた。大カナリア望遠鏡はキュー観測という制度をるだろう。

採用しており，詳細な実行プログラムを事前に準

私たちは 2014 年に，HSC のデータを用いた遠備しておけば，現地のスタッフが観測を代行して方クエーサー探査を開始した。二度目の挑戦であくれる。私たちは，HSC の初期データから選出る。前回オーストラリアでは失敗したが，そのとした最も有望な候補をプログラムに記載して送っきの経験を無駄にせず，探査の様々な点を改良しておいた。そして観測が行われた 9 月 14 日の夜た。画像データから極めて赤い点状天体を選び出が明け，スペクトルが送られてきたとき，そこにすという基本方針は変わらないが，遠方クエーサ写っているのが紛れもなく本物の遠方クエーサー
初期宇宙の巨大ブラックホールを求めて科学

0155

であることは瞬時にわかった。オーストラリアでルの個性に大きなばらつきが見つかっている。まの試みを始めてから実に 15 年間，このスペクトたアルマ望遠鏡を用いた電波帯での追観測によっルを探し求めてきたのである。て，それら巨大ブラックホールの宿主銀河についこの最初の発見は，大きな突破口となった。1て，質量や成長（星形成）率などの性質が明らかにつ見つかったのだから，根気よく同じやり方を続されつつある。遠方クエーサーの明るさごとの数ければ他にも見つかるはずである。また発見の実密度，光度関数と呼ばれる基本関数についても導績ができたことで，潤沢な望遠鏡使用時間が私た

出されており，巨大ブラックホール形成理論とのちに与えられるようになった。本稿を執筆してい比較が始まろうとしている。これらに加えて，私る 2019 年 11 月までで，すばる望遠鏡 45 夜，大たちとは独立な研究グループによる追観測の計画

カナリア望遠鏡 16 夜の観測を行い，計 93 個のもあちこちにあると聞く。これから 10 年ほどを遠方クエーサーを新発見している。図 3 に示す

かけて，私たちの発見を土台とする様々な追観ように，それらの距離は地球から 128.0〜130.5測・研究が世界中で行われていくだろう。

億光年に及ぶ。一方，この図から同時にわかるよ

いずれにせよ，これまでの探査が明らかにしたうに，遠方クエーサーを探しているのは私たちだ

最も重要なことは，130 億光年の彼方，ビッグバけではない。世界的な競争が行われており，現在ンからわずか 10 億年以内の宇宙に，すでに多数最先端にいるのは 3 グループ ―― 米国・アリゾの巨大ブラックホールが存在するという事実であナ大学を中心とするグループ，欧州・マックスプる。これまでに測定された様々な性質は，現在のランク天文学研究所を中心とするグループ，そし宇宙にある巨大ブラックホールと基本的には変わて私たちのグループ ―― である。しかし競争とはらない。あらゆる観測が，それらの誕生の舞台が言っても，それぞれの狙いと戦略には違いがある。 より遠方の宇宙にあることを指し示している。し米国・欧州の 2 グループは主に口径 4 m 以下のかし強い赤方偏移と宇宙空間での水素吸収の効果

中小望遠鏡を使って，全天（約 40000 平方度）に迫るによって，130 億光年以遠の宇宙は，HSC などような非常に広い空を比較的低感度で探査し，最で観測できる可視光では見通せない。これから先，も明るく最も重い，極めて希少な巨大ブラックホ

2020 年代に入ると宇宙空間での近赤外線観測をールを探している。これに対して，私たちは口径行う Euclid, WFIRST などの衛星ミッションが計8.2 m のすばる望遠鏡で約 1000 平方度の空を丹画されており，それらの目指す超広域探査によっ念に高感度探査しており，明るさ，重さとも標準て，さらなる地平が切り拓かれていくだろう。ビ的な巨大ブラックホールを探している。私たちのッグバンまで未踏の時代はあとわずか 10 億年程

探査対象こそが種族の大多数を占めるものであり，度であり，そのどこかに宇宙最初の巨大ブラック誕生した時により近い姿を保っていることから，ホールはある。ブレイクスルーはまもなく訪れる，巨大ブラックホール形成問題の解明に向けて最もかもしれない。

重要な手がかりを与えると期待される。

もっと遠くへ
私たちの探査は，ようやく遠方クエーサーを（大量に）見つけ始めたばかりであり，それらの詳細な性質については今後の追観測を待たねばならない。
すでに一部開始した欧州南天天文台・超大型望遠

松岡良樹 まつおか よしき
天文学者。東京大学大学院で 2009 年に博士号を取得後，名古屋大学，米国プリンストン大学，国立天文台を経て，2017 年から現職。主に銀河と巨大ブラックホールの形成・進化に興味鏡（口径 8.2 m）などでの観測からは，質量や物質のをもち，現在は宇宙最遠のブラックホール探査で世界をリード飲み込み効率など，発見された巨大ブラックホー術分野の文部科学大臣表彰・若手科学者賞を受賞。

0156

KAGAKU

Feb. 2020 Vol.90 No.2

する。2018 年に日本天文学会・研究奨励賞，2019 年に科学技