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隠された天文学の驚異：ブラックホールの直接的な崩壊は、超大質量ブラックホール形成の謎をどのように解明するのか？
直接崩壊型ブラックホール (DCBH) は、大量の物質の直接崩壊によって形成される高質量ブラックホールのプロトタイプの一種です。これらのブラックホールは、宇宙が約 1 億年から 2 億 5 千万年前に、赤方偏移範囲 z = 15 ～ 30 で形成されたと推測されています。第一世代の星 (タイプ III 星とも呼ばれる) によって形成されたブラックホールの前駆体とは異なり、直接崩壊ブラックホールの種子は直接的な一般相対論的不安定性によって形成されます。これらのブラックホールが形成されるとき、その質量は通常約 10^5 M☉ になります。
このタイプのブラックホールのプロトタイプは、もともと赤方偏移 z~7 の超大質量ブラックホールを観測するという課題に対処するために提案され、多くの観測によって確認されています。
形成メカニズム
直接崩壊型ブラックホール (DCBH) は、高赤方偏移宇宙で形成される巨大ブラックホールの原型であると考えられています。形成時の質量は約 10^5 M☉ ですが、10^4 M☉ から 10^6 M☉ の範囲になることもあります。 DCBH が形成される環境条件は次のとおりです。
- 金属ガスは使用不可（水素とヘリウムのみ）。
- 原子はガスを冷却します。
- ライマン・ヴィールス光子束は水素分子を破壊するほど大きく、ガス冷却の効率を低下させます。
上記の条件を満たすことで、ガスの冷却を防ぎ、元のガス雲の断片化を防ぐことができます。分裂して星を形成できなかったガス雲は、全体的な重力崩壊を起こし、その中心核の物質密度が約 10^7 g/cm3 と極めて高くなります。このような密度では、物体は一般相対論的不安定性を経験し、最終的には約 10^5 M☉、または最大 100 万 M☉ の質量を持つブラックホールを形成します。この不安定性の発生と中間の恒星段階の不在により、このタイプのブラックホールは直接崩壊ブラックホールと呼ばれます。
数量統計
直接崩壊ブラックホールは、その形成に必要な 3 つの基本条件を一度に満たすのが非常に難しいため、高赤方偏移宇宙では非常にまれであると考えられています。現在の宇宙論的シミュレーションによれば、赤方偏移 15 における DCBH の数密度は、1 立方ギガパスカルあたり約 1 個に過ぎない可能性があると示唆されています。最も楽観的なケースでは、形成に必要な最小のライマン・ヴィルト光子束に基づくと、数密度は 1 立方ギガパスカルあたり約 10^7 DCBH に達する可能性があります。
検出の進行状況
2016年、ハーバード大学の天体物理学者ファビオ・パクッチ氏が率いるチームは、ハッブル宇宙望遠鏡とチャンドラX線観測衛星のデータを使用して、直接崩壊するブラックホールの候補となる最初の2つを特定した。どちらの候補も赤方偏移は 6 を超えており、そのような源に対して予測されるものと一致するスペクトル特性を持っています。特に、これらの源は、より高い赤方偏移で著しい過剰な赤外線放射を示すことが予測されます。
今後、これらの源の特性を調査し、その性質を確認するには、特にジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用したさらなる観測が重要となるでしょう。
他のブラックホールタイプとの違い
原始ブラックホールは、膨張期または放射線が優勢な期間中にエネルギー物質またはイオン化物質が直接崩壊することによって形成されるブラックホールであり、直接崩壊ブラックホールは、異常に密度が高く大きなガス領域の崩壊の結果として形成されるブラックホールです。タイプ III の星の崩壊によって形成されたブラックホールは、「直接的な」崩壊とは見なされないことに注意する価値があります。
宇宙の謎を探る過程で、ブラックホールの直接崩壊の重要性が徐々に認識されるようになり、今後の研究によって超大質量ブラックホールの形成の謎についてさらなる手がかりが明らかになるかもしれない。この神秘的な宇宙には、人類の発見を待っている未知のブラックホールがいくつあるのでしょうか?
